Qiming Zhang, illustre professore di ingegneria elettrica, ha guidato un team di ricercatori a sviluppare un robusto materiale piezoelettrico in grado di convertire lo stress meccanico in elettricità. Credito:Tyler Henderson/Penn State.
I materiali piezoelettrici convertono lo stress meccanico in elettricità, o viceversa, e possono essere utili in sensori, attuatori e molte altre applicazioni. Ma l'implementazione del piezoelettrico nei polimeri, materiali composti da catene molecolari e comunemente usati nella plastica, nei farmaci e altro ancora, può essere difficile, secondo Qiming Zhang, illustre professore di ingegneria elettrica.
Zhang e un team di ricercatori interdisciplinari guidato da Penn State hanno sviluppato un polimero con una robusta efficacia piezoelettrica, che si traduce in una generazione di elettricità più efficiente del 60% rispetto alle iterazioni precedenti. Hanno pubblicato i loro risultati oggi su Scienza .
"Storicamente, l'accoppiamento elettromeccanico dei polimeri è stato molto basso", ha detto Zhang. "Ci siamo proposti di migliorare questo perché la relativa morbidezza dei polimeri li rende candidati eccellenti per sensori e attuatori morbidi in una varietà di aree, tra cui biorilevamento, sonar, muscoli artificiali e altro".
Per creare il materiale, i ricercatori hanno deliberatamente implementato impurità chimiche nel polimero. Questo processo, noto come doping, consente ai ricercatori di regolare le proprietà di un materiale per generare effetti desiderabili, a condizione che integrino il numero corretto di impurità. L'aggiunta di una quantità insufficiente di drogante potrebbe impedire l'avvio dell'effetto desiderato, mentre l'aggiunta di una quantità eccessiva potrebbe introdurre tratti indesiderati che ostacolano la funzione del materiale.
Il drogaggio distorce la spaziatura tra le cariche positive e negative all'interno dei componenti strutturali del polimero. La distorsione separa le cariche opposte, consentendo ai componenti di accumulare una carica elettrica esterna in modo più efficiente. Questo accumulo migliora il trasferimento di elettricità nel polimero quando è deformato, ha detto Zhang.
Per migliorare l'effetto doping e garantire l'allineamento delle catene molecolari, i ricercatori hanno allungato il polimero. Questo allineamento, secondo Zhang, promuove più una risposta elettromeccanica che da un polimero con catene allineate casualmente.
"L'efficienza della generazione di elettricità del polimero è stata notevolmente aumentata", ha affermato Zhang. "Con questo processo, abbiamo raggiunto un'efficienza del 70%, un notevole miglioramento rispetto al precedente 10%."
Questa robusta prestazione elettromeccanica, che è più comune nei materiali ceramici rigidi, potrebbe consentire una varietà di applicazioni per il polimero flessibile. Poiché il polimero mostra una resistenza alle onde sonore simile a quella dell'acqua e dei tessuti umani, potrebbe essere applicato per l'uso nell'imaging medico, negli idrofoni subacquei o nei sensori di pressione. I polimeri tendono anche ad essere più leggeri e configurabili della ceramica, quindi questo polimero potrebbe fornire opportunità per esplorare miglioramenti nell'imaging, nella robotica e altro, ha affermato Zhang. + Esplora ulteriormente
