Zwitterions Raise the Dielectric Constant of Soft Materials

两性离子 化学物理 材料科学 电介质 偶极子 乙二醇 色散(光学) 超分子 极地的 分子 化学 物理 有机化学 光学 光电子学 天文
作者
W. N. Mei,August J. Rothenberger,Joshua E. Bostwick,Joshua M. Rinehart,Robert J. Hickey,Ralph H. Colby
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:127 (22) 被引量:9
标识
DOI:10.1103/physrevlett.127.228001
摘要

Materials exhibiting high dielectric constants (ϵ_{s}) are critical for energy storage and actuators. A successful approach to increase ϵ_{s} is to incorporate polar additives (with high ϵ_{s}) but controlling the resulting dispersion state is difficult. Here, we show that significant ϵ_{s} increases are realized by adding zwitterions, which are small molecules with a cation and an anion separated by covalent bonds. The increase in ϵ_{s} with zwitterion addition is attributed to the large molecular dipole of zwitterions, ranging from 35 to 41 D, as experimentally quantified and confirmed using density functional theory. At elevated zwitterion concentration in an ethylene glycol medium, there is a nonlinear increase of ϵ_{s} that eventually saturates due to the strong Coulombic interactions between zwitterions. The presented work provides a fundamental molecular understanding of why zwitterions are effective additives in boosting ϵ_{s} in soft materials.

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