Forbedring af den elektromekaniske opførsel af en fleksibel polymer

Piezoelektriske materialer omdanner mekanisk spænding til elektricitet eller omvendt, og kan være nyttige i sensorer, aktuatorer og mange andre applikationer. Men at implementere piezoelektrik i polymerer - materialer sammensat af molekylære kæder og almindeligvis brugt i plastik, lægemidler og mere - kan være svært, ifølge Qiming Zhang, fremtrædende professor i elektroteknik.

Zhang og et Penn State-ledet team af tværfaglige forskere udviklede en polymer med robust piezoelektrisk effektivitet, hvilket resulterer i 60 % mere effektiv elproduktion end tidligere iterationer. De offentliggjorde deres resultater i dag i Science .

"Historisk har den elektromekaniske kobling af polymerer været meget lav," sagde Zhang. "Vi satte os for at forbedre dette, fordi polymerernes relative blødhed gør dem til fremragende kandidater til bløde sensorer og aktuatorer inden for en række områder, herunder biosensing, sonar, kunstige muskler og mere."

For at skabe materialet implementerede forskerne bevidst kemiske urenheder i polymeren. Denne proces, kendt som doping, giver forskere mulighed for at justere et materiales egenskaber for at generere ønskelige effekter - forudsat at de integrerer det korrekte antal urenheder. Tilsætning af for lidt af et dopingmiddel kan forhindre den ønskede effekt i at starte, mens tilsætning af for meget kan introducere uønskede egenskaber, der hæmmer materialets funktion.

Dopingen forvrænger afstanden mellem positive og negative ladninger i polymerens strukturelle komponenter. Forvrængningen adskiller de modsatte ladninger, hvilket gør det muligt for komponenterne at akkumulere en ekstern elektrisk ladning mere effektivt. Denne ophobning øger elektricitetsoverførslen i polymeren, når den deformeres, sagde Zhang.

For at øge dopingeffekten og sikre ensretning af molekylekæderne strakte forskerne polymeren. Denne justering fremmer ifølge Zhang mere en elektromekanisk reaktion end fra en polymer med tilfældigt justerede kæder.

"Effektiviteten af ​​polymerens elektricitetsproduktion blev enormt øget," sagde Zhang. "Med denne proces opnåede vi en effektivitet på 70 % – en stor forbedring fra tidligere 10 % effektivitet."

Denne robuste elektromekaniske ydeevne, som er mere almindelig i stive keramiske materialer, kan muliggøre en række anvendelser for den fleksible polymer. Fordi polymeren udviser modstand mod lydbølger svarende til vand og menneskeligt væv, kan den anvendes til brug i medicinsk billedbehandling, undervandshydrofoner eller tryksensorer. Polymerer har også en tendens til at være mere lette og konfigurerbare end keramik, så denne polymer kan give muligheder for at udforske forbedringer inden for billeddannelse, robotteknologi og mere, sagde Zhang. + Udforsk yderligere

Elastisk polymer, der er både stiv og sej, løser langvarig dilemma