Revolutionair Piezoelectric Polymer Verhoogt Energie Conversie met 60%

Een Penn State-geleid team van interdisciplinaire onderzoekers heeft een polymer ontwikkeld met robuuste piezoelectric effectiviteit, wat resulteert in 60% efficiëntere elektriciteitsopwekking dan eerdere iteraties.

Piezoelectric materialen converteren mechanische spanning in elektriciteit, of vice versa, en kunnen nuttig zijn in sensoren, actuatoren, en veel andere toepassingen. Maar het implementeren van piezoelectrics in polymeren — materialen samengesteld uit moleculaire ketens en algemeen gebruikt in kunststoffen, geneesmiddelen, en meer — kan moeilijk zijn, volgens Qiming Zhang, Distinguished Professor of Electrical Engineering.

'Historisch gezien is de electromechanische koppeling van polymeren erg laag,' zei Zhang. 'We zetten ons in om dit te verbeteren omdat de relatieve zachtheid van polymeren ze uitstekende kandidaten maakt voor zachte sensoren en actuatoren in een verscheidenheid aan gebieden, waaronder biosensing, sonar, kunstmatige spieren, en meer.'

Om het materiaal te creëren, introduceerden de onderzoekers bewust chemische onzuiverheden in het polymer. Dit proces, bekend als doping, stelt onderzoekers in staat om de eigenschappen van een materiaal af te stemmen om gewenste effecten te genereren — mits ze het correcte aantal onzuiverheden integreren. Het toevoegen van te weinig dopant kan het gewenste effect verhinderen van initiatie, terwijl het toevoegen van te veel ongewenste kenmerken kan introduceren die de functie van het materiaal belemmeren.

De doping vervormt de afstand tussen positieve en negatieve ladingen binnen de structurele componenten van het polymer. Deze vervorming scheidt de tegenovergestelde ladingen, wat de componenten in staat stelt een externe elektrische lading efficiënter op te bouwen. Deze opbouw versterkt de elektriciteitsoverdracht in het polymer wanneer het vervormd wordt, zei Zhang.

Om het doping-effect te versterken en de uitlijning van de moleculaire ketens te garanderen, rekten de onderzoekers het polymer. Deze uitlijning, volgens Zhang, bevordert meer van een electromechanische respons dan van een polymer met willekeurig uitgelijnde ketens.

'De efficiëntie van de elektriciteitsopwekking van het polymer was aanzienlijk verhoogd,' zei Zhang. 'Met dit proces bereikten we 70% efficiëntie — een enorme verbetering ten opzichte van de 10% efficiëntie ervoor.'

Deze robuuste electromechanische prestatie, die meer voorkomt in harde keramische materialen, kan een verscheidenheid aan toepassingen voor het flexibele polymer mogelijk maken.

Omdat het polymer weerstand tegen geluidsgolven vertoonbaar is die vergelijkbaar is met die van water en menselijke weefsels, kan het toegepast worden voor gebruik in medische imaging, onderwater hydrophonen, of druksensoren.

Polymers neigen er ook toe lichter en configureerbaarder te zijn dan keramieken, dus dit polymer kan kansen bieden om verbeteren in imaging, robotica en meer te verkennen, zei Zhang.