Una nuova comprensione fondamentale del comportamento ferroelettrico dei rilassatori polimerici potrebbe portare a progressi nell'elettronica flessibile, attuatori e trasduttori, stoccaggio di energia, sensori piezoelettrici e raffreddamento elettrocalorico, secondo un team di ricercatori della Penn State e del North Carolina State.

I ricercatori hanno discusso la teoria alla base del meccanismo dei ferroelettrici relaxor per più di 50 anni, disse Qing Wang, professore di scienza e ingegneria dei materiali alla Penn State. Mentre i ferroelettrici relaxor sono ben noti, materiali fondamentalmente affascinanti e tecnologicamente utili, un Natura articolo ha commentato nel 2006 che erano eterogenei, pasticci senza speranza.

Senza una comprensione fondamentale del meccanismo, pochi progressi sono stati fatti nella progettazione di nuovi materiali ferroelettrici relaxor. La nuova comprensione, che si basa sia su esperimenti che su modelli teorici, mostra che la ferroelettricità relaxor nei polimeri deriva da disturbi della conformazione della catena indotti dalla chiralità. La chiralità è una caratteristica di molti materiali organici in cui le molecole sono immagini speculari l'una dell'altra, ma non esattamente lo stesso. Il meccanismo di rilassamento nei polimeri è molto diverso dal meccanismo proposto per le ceramiche il cui comportamento di rilassamento deriva da disordini chimici.

"Diverso dai ferroelettrici, i rilassanti non mostrano grandi domini ferroelettrici a lungo raggio ma domini polari locali disordinati, " ha spiegato Wang. "La ricerca sui materiali polimerici relaxor è stata impegnativa a causa della presenza di più fasi come cristallino, area interfacciale amorfa e cristallino-amorfa nei polimeri".

Nei condensatori di accumulo di energia, i rilassanti possono fornire una densità di energia molto più elevata rispetto ai normali ferroelettrici, che hanno un'elevata perdita ferroelettrica che si trasforma in calore di scarto. Inoltre, i rilassanti possono generare una maggiore sollecitazione sotto i campi elettrici applicati e hanno un'efficienza di conversione dell'energia molto migliore rispetto ai normali ferroelettrici, che li rende materiali preferiti per attuatori e sensori.

Penn State ha una lunga storia di scoperte nei materiali ferroelettrici. Qiming Zhang, professore di ingegneria elettrica alla Penn State, scoperto il primo polimero ferroelettrico relaxor nel 1998, quando usò un fascio di elettroni per irradiare un polimero ferroelettrico e scoprì che era diventato un rilassante. Zhang insieme a Qing Wang ha anche fatto scoperte seminali nell'effetto elettrocalorico usando polimeri relaxor, che consente il raffreddamento allo stato solido senza l'uso di gas nocivi e utilizza molta meno energia rispetto alla refrigerazione convenzionale.

"La nuova comprensione del comportamento relaxor ci aprirebbe opportunità senza precedenti per progettare polimeri ferroelettrici relaxor per una gamma di applicazioni di accumulo e conversione di energia, " ha detto Wang.

Il loro lavoro, "Proprietà rilassanti indotte dalla chiralità nei polimeri ferroelettrici, "appare oggi, 29 giugno nel diario Materiali della natura .