Piëzo-elektrische polymeren

Een team van interdisciplinaire onderzoekers onder leiding van Penn State heeft een polymeer ontwikkeld met een robuuste piëzo-elektrische effectiviteit, wat resulteert in 60% efficiëntere elektriciteitsopwekking dan eerdere iteraties.

Piëzo-elektrische materialen zetten mechanische spanning om in elektriciteit, of omgekeerd, en kunnen nuttig zijn in sensoren, actuatoren en vele andere toepassingen. Maar het implementeren van piëzo-elektriciteit in polymeren - materialen die zijn samengesteld uit moleculaire ketens en die vaak worden gebruikt in kunststoffen, medicijnen en meer - kan moeilijk zijn, volgens Qiming Zhang, Distinguished Professor of Electrical Engineering.

"Historisch gezien was de elektromechanische koppeling van polymeren erg laag", zei Zhang. "We wilden dit verbeteren omdat de relatieve zachtheid van polymeren hen uitstekende kandidaten maakt voor zachte sensoren en actuatoren op verschillende gebieden, waaronder biosensing, sonar, kunstmatige spieren en meer."

Om het materiaal te maken, brachten de onderzoekers opzettelijk chemische onzuiverheden in het polymeer. Dit proces, bekend als doping, stelt onderzoekers in staat om de eigenschappen van een materiaal af te stemmen om gewenste effecten te genereren - op voorwaarde dat ze het juiste aantal onzuiverheden integreren. Het toevoegen van te weinig van een doteermiddel kan voorkomen dat het gewenste effect optreedt, terwijl het toevoegen van te veel ongewenste eigenschappen kan introduceren die de functie van het materiaal belemmeren.

De dotering verstoort de afstand tussen positieve en negatieve ladingen binnen de structurele componenten van het polymeer. Deze vervorming scheidt de tegenovergestelde ladingen, waardoor de componenten efficiënter een externe elektrische lading kunnen accumuleren. Deze accumulatie verbetert de elektriciteitsoverdracht in het polymeer wanneer het wordt vervormd, zei Zhang.

Om het dopingeffect te versterken en de molecuulketens op één lijn te brengen, hebben de onderzoekers het polymeer uitgerekt. Deze uitlijning bevordert volgens Zhang meer een elektromechanische respons dan van een polymeer met willekeurig uitgelijnde ketens.

"De efficiëntie van de elektriciteitsopwekking van het polymeer is enorm toegenomen", zei Zhang. "Met dit proces hebben we 70% efficiëntie bereikt - een enorme verbetering ten opzichte van de 10% efficiëntie daarvoor."

Deze robuuste elektromechanische prestatie, die vaker voorkomt in stijve keramische materialen, kan een verscheidenheid aan toepassingen voor het flexibele polymeer mogelijk maken.

Omdat het polymeer bestand is tegen geluidsgolven die vergelijkbaar zijn met die van water en menselijke weefsels, kan het worden toegepast voor gebruik in medische beeldvorming, onderwaterhydrofoons of druksensoren.

Polymeren zijn ook meestal lichter en configureerbaarder dan keramiek, dus dit polymeer zou mogelijkheden kunnen bieden om verbeteringen in beeldvorming, robotica en meer te onderzoeken, zei Zhang.