To-faset materiale med overraskende egenskaber

Mikrostruktur og makroskopiske elektro-mekaniske egenskaber er tæt forbundet i såkaldte ferroelektriske polymerer. Der er nu fundet en forklaring på denne koblings høje temperaturafhængighed på TU Wien.

I visse materialer, elektriske og mekaniske effekter er tæt forbundet:f.eks. materialet kan ændre sin form, når et elektrisk felt påføres eller, omvendt, der kan opstå et elektrisk felt, når materialet deformeres. Sådanne elektromekanisk aktive materialer er meget vigtige for mange tekniske applikationer.

Som regel, sådanne materialer er specielle, uorganiske krystaller, som er hårde og sprøde. Af denne grund, såkaldte ferroelektriske polymerer bruges nu. De er kendetegnet ved, at deres polymerkæder eksisterer samtidigt i to forskellige mikrostrukturer:nogle områder er stærkt ordnede (krystallinske), mens uordnede (amorfe) områder dannes imellem. Disse halvkrystallinske kompositter er elektromekanisk aktive og kombinerer derfor elektriske og mekaniske effekter, men samtidig er de også fleksible og bløde. På TU Wien, sådanne materialer er nu blevet undersøgt detaljeret - med overraskende resultater:over en bestemt temperatur, ejendommene ændrer sig dramatisk. Et forskerhold fra TU Wien i samarbejde med forskergrupper fra Madrid og London har nu kunnet forklare, hvorfor dette sker.

Fra mikrosensorer til smarte tekstiler

"Hvis du kan kontrollere et materiales mekaniske adfærd ved hjælp af elektriske felter, du kan bruge den til at bygge små sensorer, for eksempel, "siger professor Ulrich Schmid fra Institute of Sensor and Actuator Systems ved TU Wien." Dette er også interessant for atomkraftmikroskoper, hvor du sætter en lille spids i vibration for at scanne en overflade og generere et billede. "

Anvendelsesområdet for sådanne materialer kan udvides dramatisk, hvis det er muligt at fremkalde sådanne elektromekaniske egenskaber ikke kun i stive materialer, men også fleksibelt, bløde materialer. På den ene side, fleksible materialer har en helt anden vibrationsadfærd, som kan udnyttes i konstruktionen af ​​bittesmå sensorer. På den anden side, sådanne materialer åbner også op for helt nye muligheder - såsom smarte tekstiler, fleksibel energilagring eller til integreret energihøstning.

"Tørstof kan være krystallinsk, i hvilket tilfælde atomerne er arrangeret i et almindeligt gitter, eller de kan være amorfe, i hvilket tilfælde de enkelte atomer er tilfældigt fordelt, "forklarer Jonas Hafner, som arbejder på dette forskningsprojekt som en del af sin afhandling. "Det særlige ved det materiale, vi studerede, er, at det kan være begge dele på samme tid:Det danner krystallinske områder, og ind i mellem er materialet amorft. "

Krystallerne er ansvarlige for materialets elektromekaniske egenskaber, den amorfe matrix holder de små krystaller sammen, generelt skaber en meget blød, fleksibelt materiale.

For meget varme

For at kunne videreudvikle og forbedre sådanne materialer, forskergruppen undersøgte først deres grundlæggende fysiske egenskaber. Under deres undersøgelser, de stødte på et overraskende fænomen:de ferroelektriske polymerer, som består af en kombination af krystallinske og amorfe områder, ændre deres mikroskopiske sammensætning ved en bestemt temperatur - hvilket har overraskende virkninger på den makroskopiske elektromekaniske adfærd.

Normalt, et materiales elektromekaniske egenskaber forsvinder først, når en meget høj temperatur forårsager så store svingninger på atomniveau, at den elektriske orden i materialet forsvinder fuldstændigt. Denne kritiske temperatur kaldes "Curie -temperaturen". Men i tilfælde af det materiale, der nu undersøges, tingene er mere komplicerede:"I vores tilfælde, de bittesmå krystallers elektromekaniske egenskaber forbliver. Mikroskopisk, krystallerne er stadig elektroaktive, men på det makroskopiske plan, denne elektroaktive adfærd forsvinder, ”siger Jonas Hafner.

Mistet kontakt mellem krystalkornene

Teamet var i stand til at forklare, hvordan denne effekt opstår:Når temperaturen stiger, andelen af ​​amorfe områder af polymeren stiger, og på et bestemt tidspunkt mister de bittesmå krystaller direkte kontakt mellem hinanden. Det betyder, at mekaniske kræfter ikke længere kan overføres fra en af ​​de små krystaller til den næste, fordi de alle er fuldstændigt indlejret i en dæmpende amorf matrix. Dette ændrer dramatisk materialets mekaniske og elektromekaniske adfærd.

"Kun hvis vi forstår disse grundlæggende effekter, kan vi forklare, hvordan mikroskopiske og makroskopiske egenskaber korrelerer i sådanne materialer, "siger Ulrich Schmid." Vi arbejder med talrige projektpartnere, der derefter bruger sådanne materialer - i atomkraftmikroskoper, i sensorer, i chips. Der er mange mulige applikationer til denne spændende materialefase. "