Революционный пьезоэлектрический полимер повышает КПД преобразования энергии на 60%

Команда междисциплинарных исследователей под руководством Пенн-стейта разработала полимер с надежной пьезоэлектрической эффективностью, дающей на 60% более эффективную генерацию электричества, чем предыдущие итерации.

Пьезоэлектрические материалы преобразуют механическое напряжение в электричество, или наоборот, и могут быть полезны в датчиках, актуаторах и многих других приложениях. Но внедрение пьезоэлектриков в полимеры — материалы, состоящие из молекулярных цепей и обычно используемые в пластиках, лекарствах и более — может быть трудным, согласно Кимин Чжан, выдающемуся профессору электротехники.

«Исторически электромеханическая связность полимеров была очень низкой», — сказал Чжан. «Мы вышли улучшить это, потому что относительная мягкость полимеров делает их отличными кандидатами для мягких датчиков и актуаторов в ряде областей, включая биосенсинг, сонар, искусственные мышцы и более».

Для создания материала исследователи намеренно ввели химические примеси в полимер. Этот процесс, известный как легирование (doping), позволяет исследователям настраивать свойства материала для генерации желательных эффектов — при условии, что они интегрируют правильное количество примесей. Добавление слишком малого количества легирующей добавки может предотвратить инициацию желаемого эффекта, в то время как добавление слишком большого может внести нежелательные черты, препятствующие функции материала.

Легирование искажает расстояние между положительными и отрицательными зарядами в структурных компонентах полимера. Это искажение сегрегирует противоположные заряды, позволяя компонентам накапливать внешний электрический заряд более эффективно. Это накопление улучшает передачу электричества в полимере при его деформации, сказал Чжан.

Для усиления эффекта легирования и обеспечения выравнивания молекулярных цепей исследователи растянули полимер. Это выравнивание, согласно Чжану, способствует большему электромеханическому отклику, чем от полимера со случайно выровненными цепями.

«Эффективность генерации электричества полимером была огромно увеличена», — сказал Чжан. «С этим процессом мы достигли 70% эффективности — огромное улучшение от 10% эффективности до».

Эта надежная электромеханическая производительность, более распространенная в жестких керамических материалах, может позволить множество приложений для гибкого полимера.

Поскольку полимер демонстрирует сопротивление звуковым волнам, похожее на воду и человеческие ткани, он может быть применен для использования в медицинской визуализации, подводных гидрофонах или датчиках давления.

Полимеры также склонны быть более легкими и конфигурируемыми, чем керамика, так что этот полимер может предоставить возможности для изучения улучшений в визуализации, робототехнике и более, сказал Чжан.