La microstruttura e le proprietà elettromeccaniche macroscopiche sono strettamente accoppiate nei cosiddetti polimeri ferroelettrici. Una spiegazione per la dipendenza dall'alta temperatura di questo accoppiamento è stata ora trovata alla TU Wien.

In alcuni materiali, effetti elettrici e meccanici sono strettamente collegati:ad esempio, il materiale può cambiare forma quando viene applicato un campo elettrico o, al contrario, un campo elettrico può essere creato quando il materiale è deformato. Tali materiali elettromeccanicamente attivi sono molto importanti per molte applicazioni tecniche.

Generalmente, tali materiali sono speciali, cristalli inorganici, che sono dure e fragili. Per questa ragione, vengono ora utilizzati i cosiddetti polimeri ferroelettrici. Sono caratterizzati dal fatto che le loro catene polimeriche esistono contemporaneamente in due diverse microstrutture:alcune aree sono fortemente ordinate (cristalline), mentre nel mezzo si formano aree disordinate (amorfe). Questi compositi semicristallini sono elettromeccanicamente attivi e quindi combinano effetti elettrici e meccanici, ma allo stesso tempo sono anche flessibili e morbide. A TU Vienna, tali materiali sono stati ora studiati in dettaglio, con risultati sorprendenti:al di sopra di una certa temperatura, le proprietà cambiano drasticamente. Un team di ricerca di TU Wien in collaborazione con gruppi di ricerca di Madrid e Londra è stato ora in grado di spiegare perché questo accade.

Dai microsensori ai tessuti intelligenti

"Se puoi controllare il comportamento meccanico di un materiale con l'aiuto dei campi elettrici, puoi usarlo per costruire piccoli sensori, Per esempio, " afferma il prof. Ulrich Schmid dell'Institute of Sensor and Actuator Systems presso TU Wien. "Questo è interessante anche per i microscopi a forza atomica, dove imposti una piccola punta in vibrazione per scansionare una superficie e generare un'immagine."

Il campo di applicazione di tali materiali può essere notevolmente ampliato se è possibile indurre tali proprietà elettromeccaniche non solo in materiali rigidi, ma anche in flessibile, materiali morbidi. Da una parte, i materiali flessibili hanno un comportamento alle vibrazioni completamente diverso, che può essere sfruttato nella costruzione di minuscoli sensori. D'altra parte, tali materiali aprono anche possibilità completamente nuove, come tessuti intelligenti, stoccaggio di energia flessibile o per la raccolta di energia integrata.

"I solidi possono essere cristallini, nel qual caso gli atomi sono disposti in un reticolo regolare, oppure possono essere amorfi, nel qual caso i singoli atomi sono distribuiti casualmente, " spiega Jonas Hafner, che sta lavorando a questo progetto di ricerca come parte della sua tesi. "La particolarità del materiale che abbiamo studiato è che può essere entrambi allo stesso tempo:forma regioni cristalline, e in mezzo il materiale è amorfo."

I cristalli sono responsabili delle proprietà elettromeccaniche del materiale, la matrice amorfa tiene insieme i minuscoli cristalli, nel complesso creando un ambiente molto morbido, materiale flessibile.

Troppo caldo

Per poter sviluppare e migliorare ulteriormente tali materiali, il team di ricerca ha prima studiato le loro proprietà fisiche di base. Durante le loro indagini, si imbatterono in un fenomeno sorprendente:i polimeri ferroelettrici, che consistono in una combinazione di aree cristalline e amorfe, cambiano la loro composizione microscopica a una certa temperatura, il che ha effetti sorprendenti sul comportamento elettromeccanico macroscopico.

Normalmente, le proprietà elettromeccaniche di un materiale scompaiono solo quando una temperatura molto elevata provoca oscillazioni così grandi a livello atomico, che l'ordine elettrico nel materiale scompaia completamente. Questa temperatura critica è chiamata "temperatura di Curie". Ma nel caso del materiale in esame, le cose sono più complicate:"Nel nostro caso, le proprietà elettromeccaniche dei minuscoli cristalli rimangono. microscopicamente, i cristalli sono ancora elettroattivi, ma a livello macroscopico, questo comportamento elettroattivo scompare, "dice Jonas Hafner.

Contatto perso tra i grani di cristallo

Il team è stato in grado di spiegare come si verifica questo effetto:quando la temperatura aumenta, la proporzione di aree amorfe del polimero aumenta, e ad un certo punto i minuscoli cristalli perdono il contatto diretto tra loro. Ciò significa che le forze meccaniche non possono più essere trasferite da uno dei minuscoli cristalli all'altro, perché sono tutti completamente immersi in una matrice amorfa smorzante. Questo cambia drasticamente il comportamento meccanico ed elettromeccanico del materiale.

"Solo se comprendiamo questi effetti fondamentali possiamo spiegare come le proprietà microscopiche e macroscopiche sono correlate in tali materiali, " dice Ulrich Schmid. "Stiamo lavorando con numerosi partner di progetto che poi utilizzano tali materiali, in microscopi a forza atomica, nei sensori, in patatine. Ci sono numerose potenziali applicazioni per questa entusiasmante fase materiale".