Un aumento di 10 volte della capacità di raccogliere energia meccanica e termica rispetto ai compositi piezoelettrici standard può essere possibile utilizzando una schiuma ceramica piezoelettrica supportata da un supporto polimerico flessibile, secondo i ricercatori della Penn State.

Alla ricerca di modi per raccogliere piccole quantità di energia per far funzionare dispositivi elettronici mobili o sensori per il monitoraggio della salute, i ricercatori in genere aggiungono nanoparticelle di ceramica dura o nanofili a un materiale morbido, supporto in polimero flessibile. Il polimero fornisce la flessibilità, mentre le nanoparticelle piezoelettriche convertono l'energia meccanica in tensione elettrica. Ma questi materiali sono relativamente inefficienti, perché al caricamento meccanico l'energia meccanica è in gran parte assorbita dalla massa del polimero, con una frazione molto piccola trasferita alle nanoparticelle piezoelettriche. Mentre l'aggiunta di più ceramica aumenterebbe l'efficienza energetica, viene fornito con il compromesso di una minore flessibilità.

"La ceramica dura nel polimero morbido è come le pietre nell'acqua, " disse Qing Wang, professore di scienze e ingegneria dei materiali, Penn State. "Puoi schiaffeggiare la superficie dell'acqua, ma poca forza viene trasferita alle pietre. Questa la chiamiamo capacità di trasferimento del ceppo".

Quasi tre decenni fa, il compianto scienziato dei materiali della Penn State Bob Newnham ha avuto l'idea che la connettività del riempitivo piezoelettrico determinasse l'efficienza dell'effetto piezoelettrico. Un materiale tridimensionale sarebbe più efficiente di quello che ha classificato come nanoparticelle a dimensione zero, nanofili unidimensionali o film bidimensionali, perché l'energia meccanica verrebbe trasportata direttamente attraverso il materiale tridimensionale invece di dissiparsi nella matrice polimerica.

"Bob Newnham era una leggenda nel campo dei piezoelettrici, " ha detto Wang. "Così tutti nella comunità della ceramica conoscevano il suo approccio, ma come ottenere quella struttura 3D con una microstruttura ben definita è rimasto un mistero".

L'ingrediente segreto per risolvere il mistero si è rivelato essere un economico foglio per spolverare in schiuma di poliuretano che può essere acquistato in qualsiasi negozio di bricolage. Le piccole sporgenze uniformi sul foglio fungono da modello per formare la microstruttura della ceramica piezoelettrica. I ricercatori hanno applicato la ceramica al foglio di poliuretano sotto forma di nanoparticelle sospese in soluzione. Quando il modello e la soluzione vengono riscaldati a una temperatura sufficientemente elevata, il foglio brucia e la soluzione cristallizza in una schiuma solida microforme 3-D con fori uniformi. Quindi riempiono i fori nella schiuma ceramica con polimero.

"Vediamo che questo composito 3-D ha una produzione di energia molto più elevata in diverse modalità, " disse Wang. "Possiamo allungarlo, piegalo, premilo. E allo stesso tempo, può essere utilizzato come raccoglitore di energia piroelettrica se c'è un gradiente di temperatura di almeno qualche grado."

Sulin Zhang, professore di scienze ingegneristiche e meccaniche, Penn State è l'altro autore corrispondente sul documento che appare in Scienze energetiche e ambientali . Zhang e i suoi studenti sono stati responsabili di un ampio lavoro di calcolo che simulava le prestazioni piezoelettriche del composito 3-D.

"Siamo stati in grado di dimostrare teoricamente che le prestazioni piezoelettriche dei compositi di nanoparticelle/nanofili sono limitate in modo critico dalla grande disparità di rigidità della matrice polimerica e della piezoceramica, ma la schiuma composita 3-D non è limitata dalla rigidità, " ha detto Zhang. "Questa è la differenza fondamentale tra questi materiali compositi, che parla dell'innovazione di questo nuovo composito 3-D. Le nostre ampie simulazioni dimostrano ulteriormente questa idea".

Attualmente, Wang ei suoi collaboratori stanno lavorando con alternative senza piombo e più rispettose dell'ambiente all'attuale ceramica piombo-zirconio-titanato.

"Questo è un metodo molto generale, " ha detto Wang. "Questo è per dimostrare il concetto, basato sul lavoro di Bob Newnham. È bene continuare il lavoro di una leggenda della Penn State e far avanzare questo campo." Ulteriori autori sull'articolo, "Compositi flessibili tridimensionali interconnessi a base di schiume ceramiche piezoelettriche per la raccolta simultanea di energia meccanica e termica altamente efficiente, " sono co-autrici Guangzu Zhang, precedentemente nel gruppo di Wang e ora alla Huazhong University of Science and Technology, Cina; e Peng Zhao, uno studente di dottorato nel gruppo di Zhang. Altri contributori sono Xiaoshin Zhang, Kuo Han, Tiankai Zhao, Yong Zhang, Chang Kyu Jeong e Shenglin Jiang.