Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Kemi

Forskere udvikler fleksibel krystal, baner vejen for mere effektiv bøjelig elektronik

Et nærbillede af den nye piezoelektriske krystal udviklet af NTU -forskere, som kan bøje op til 40 gange mere end de konventionelle ferroelektriske krystaller, der typisk bruges i små aktuatorer og sensorer.

Et team af forskere ledet af Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har udviklet et nyt materiale, at når der tilføres elektricitet, kan bøje og bøje fyrre gange mere end sine konkurrenter, åbner vejen til bedre mikromaskiner.

Omvendt når den er bøjet, det genererer elektricitet meget effektivt og kan bruges til bedre 'energihøstning' - muligvis genoplade batterier i gadgets bare fra hverdagens bevægelser.

Det nye materiale er både elektrostriktivt og piezoelektrisk. Dens elektrostriktive egenskaber betyder, at den kan ændre form, når der tilføres en elektrisk strøm, mens piezoelektrisk betyder, at materialet kan omdanne tryk til elektriske ladninger.

Når et elektrisk felt anvendes, atomer, der udgør elektrostriktive materialer, skifter, får materialet til at deformere og bøje. Når piezoelektriske komprimeres, trykket omdannes til elektriske ladninger, der ophobes i materialet.

Forskerne fandt ud af, at når et elektrisk felt anvendes, det nye hybridmateriale kan belastes op til 22%, den hidtil højeste stamme rapporteret i et piezoelektrisk materiale. Dette overgår langt konventionelle piezoelektriske materialer, der kun deformeres op til 0,5%, når en strøm ledes igennem den. Det nye materiale er også mere energieffektivt end andre piezoelektriske og elektrostriktive materialer.

Piezoelektriske materialer bruges almindeligvis i guitarer, højttalere, sensorer og elektriske motorer. For eksempel, en piezoelektrisk pick-up er en enhed, der bruges i en elektrisk guitar til at konvertere vibrationerne fra strengene til et elektrisk signal, som derefter behandles til musikoptagelse eller forstærkes gennem højttalere.

Ferroelektriske krystaller blev først opdaget i 1920 og har været brugt til at lave piezoelektriske i over 70 år, da de let kan integreres i elektriske apparater.

Imidlertid, de er sprøde og ufleksible, bøjer kun 0,5%, som i høj grad begrænser deres anvendelse i elektroniske enheder såsom aktuatorer (dele, der konverterer et elektrisk styresignal til mekanisk bevægelse, for eksempel, en ventil, der åbner og lukker).

Nogle ferroelektriske stoffer indeholder også bly, som er giftig, og dets tilstedeværelse i piezoelektriske enheder er en af ​​grundene til, at elektronisk affald er udfordrende at genbruge. Traditionelle ferroelektriske stoffer som perovskitoxider er også uegnede til fleksible elektriske apparater, der er i kontakt med huden, såsom bærbare biomedicinske enheder, der sporer pulsen.

Udgivet i det videnskabelige tidsskrift Nature Materials i sidste måned, det nye materiale blev oprettet på NTU af professor Fan Jin fra School of Physical &Mathematical Sciences og hans team, herunder sin ph.d. studerende hr. Hu Yuzhong, der er den første forfatter til dette papir. Også en del af teamet er professor Junling Wang fra det sydlige universitet for videnskab og teknologi, Kina, en tidligere NTU -professor på School of Materials Science and Engineering.

Prof Fan sagde, "At være mere end 40 gange mere fleksibel end lignende elektrostriktive materialer, det nye ferroelektriske materiale kan bruges i yderst effektive enheder såsom aktuatorer og sensorer, der bøjer, når et elektrisk felt påføres. Med sine overlegne piezoelektriske egenskaber, materialet kan også bruges i mekaniske anordninger, der høster energi ved bøjning, hvilket vil være nyttigt at genoplade bærbare enheder.

"Vi tror, ​​at vi kan forbedre denne ydelse væsentligt i fremtiden ved yderligere at optimere den kemiske sammensætning, og vi mener, at denne type materiale kan spille en nøglerolle i udviklingen af ​​bærbare enheder til tingenes internet (IOT), en af ​​de vigtigste teknologier, der muliggør den fjerde industrielle revolution. "

Udvikling af et fleksibelt ferroelektrisk materiale

For at udvikle et fleksibelt ferroelektrisk materiale, forskerne ændrede den kemiske struktur af en hybrid ferroelektrisk forbindelse C 6 H 5 N (CH 3 ) 3 CdCl 3 , eller PCCF kort sagt, som potentielt kan bøje op til hundrede gange mere end traditionel ferroelektrisk.

For at øge materialets bevægelsesområde yderligere, forskerne ændrede forbindelsens kemiske sammensætning ved at erstatte nogle af dets chlor (Cl) atomer med brom (Br), som har en lignende størrelse som chlor, at svække de kemiske bindinger på bestemte punkter i strukturen. Dette gjorde materialet mere fleksibelt uden at påvirke dets piezoelektriske kvaliteter.

Det nye materiale er let at fremstille, kræver kun løsningsbaseret behandling, hvor krystallet dannes, når væsken fordamper, i modsætning til typiske ferroelektriske krystaller, der kræver brug af kraftfulde lasere og energi til dannelse.

Når et elektrisk felt blev påført den nye PCCF -forbindelse, atomerne i det skiftede væsentligt mere end atomerne i de fleste konventionelle ferroelektriske, belastning op til 22% langt mere end konventionelle piezoelektriske materialer.


Varme artikler