Пьезоэлектрические полимеры

Группа междисциплинарных исследователей под руководством Университета штата Пенсильвания разработала полимер с надежной пьезоэлектрической эффективностью, который обеспечивает на 60 % более эффективное производство электроэнергии по сравнению с предыдущими версиями.

Пьезоэлектрические материалы преобразуют механическое напряжение в электричество или наоборот и могут быть полезны в датчиках, исполнительных механизмах и многих других приложениях. Но внедрение пьезоэлектриков в полимеры — материалы, состоящие из молекулярных цепей и обычно используемые в пластмассах, лекарствах и т. д., — может быть затруднено, по словам Цимина Чжана, заслуженного профессора электротехники.

«Исторически сложилось так, что электромеханическая связь полимеров была очень низкой, — сказал Чжан. «Мы решили улучшить это, потому что относительная мягкость полимеров делает их отличными кандидатами на роль мягких датчиков и приводов в различных областях, включая биосенсоры, гидролокаторы, искусственные мышцы и многое другое».

Для создания материала исследователи намеренно вводили в полимер химические примеси. Этот процесс, известный как легирование, позволяет исследователям настраивать свойства материала для получения желаемых эффектов — при условии, что они интегрируют правильное количество примесей. Добавление слишком малого количества легирующей примеси может помешать достижению желаемого эффекта, а добавление слишком большого количества может привести к появлению нежелательных свойств, которые препятствуют функционированию материала.

Легирование искажает расстояние между положительными и отрицательными зарядами в структурных компонентах полимера. Это искажение разделяет противоположные заряды, позволяя компонентам более эффективно накапливать внешний электрический заряд. По словам Чжана, такое накопление увеличивает передачу электричества в полимере при его деформации.

Чтобы усилить эффект легирования и обеспечить выравнивание молекулярных цепей, исследователи растянули полимер. Такое выравнивание, по словам Чжана, способствует большему электромеханическому отклику, чем у полимера со случайно выровненными цепями.

«Эффективность выработки электроэнергии из полимера была значительно повышена», — сказал Чжан. "Благодаря этому процессу мы достигли эффективности 70 % – значительное улучшение по сравнению с эффективностью в 10 % раньше".

Эти надежные электромеханические характеристики, которые чаще встречаются в жестких керамических материалах, могут обеспечить множество применений гибкого полимера.

Поскольку полимер обладает такой же устойчивостью к звуковым волнам, как и вода и ткани человека, его можно применять для медицинских изображений, подводных гидрофонов или датчиков давления.

По словам Чжана, полимеры также имеют тенденцию быть более легкими и конфигурируемыми, чем керамика, поэтому этот полимер может предоставить возможности для изучения улучшений в области визуализации, робототехники и многого другого.