Supramolecular ionics: electric charge partition within polymers and other non-conducting solids

Electrostatic phenomena in insulators have been known for the past four centuries, but many related questions are still unanswered, for instance: which are the charge-bearing species in an electrified organic polymer, how are the charges spatially distributed and which is the contribution of the electrically charged domains to the overall polymer properties? New scanning probe microscopies were recently introduced, and these are suitable for the mapping of electric potentials across a solid sample thus providing some answers for the previous questions. In this work, we report results obtained with two of these techniques: scanning electric potential (SEPM) and electric force microscopy (EFM). These results were associated to images acquired by using analytical electron microscopy (energy-loss spectroscopy imaging in the transmission electron microscope, ESI-TEM) for colloid polymer samples. Together, they show domains with excess electric charges (and potentials) extending up to hundreds of nanometers and formed by large clusters of cations or anions, reaching supramolecular dimensions. Domains with excess electric charge were also observed in thermoplastics as well as in silica, polyphosphate and titanium oxide particles. In the case of thermoplastics, the origin of the charges is tentatively assigned to their tribochemistry, oxidation followed by segregation or the Mawell-Wagner-Sillars and Costa Ribeiro effects.A eletrificação de sólidos é conhecida há quatro séculos, mas há muitas questões importantes sobre este assunto, ainda não respondidas: por exemplo, quais são as espécies portadoras de cargas em um polímero isolante eletrificado, como estas cargas estão espacialmente distribuídas e qual é a contribuição destas cargas para as propriedades do polímero? Técnicas microscópicas introduzidas recentemente são apropriadas para o mapeamento de potenciais elétricos ao longo de uma superfície sólida, portanto podem responder a uma destas questões, contribuindo para a resolução das outras. Este trabalho resenha resultados obtidos combinando-se as microscopias de varredura de potencial elétrico (SEPM) e de força elétrica (EFM) com a microscopia eletrônica analítica baseada na espectroscopia de perda de energia de elétrons (ESI-TEM). Os materiais examinados são colóides poliméricos (látexes), polímeros termoplásticos, nanopartículas e híbridos. Nos materiais particulados foram observados domínios com excesso de cargas elétricas, estendendo-se por dezenas e centenas de nanômetros, formados por grandes acúmulos de cátions ou ânions atingindo dimensões supramoleculares. No caso dos termoplásticos, a formação dos domínios elétricos ainda não está bem compreendida, sendo tentativamente atribuída a efeitos triboquímicos no processamento do plástico, à formação de domínios oxidados, à ação de radiação de alta energia no ambiente ou aos efeitos Mawell-Wagner-Sillars e Costa Ribeiro