Un campione di gomma piezoelettrica. Credito:Laboratori federali svizzeri per la scienza e la tecnologia dei materiali
I ricercatori dell'Empa hanno sviluppato un materiale flessibile che genera elettricità in caso di stress. In futuro, potrebbe essere usato come sensore, integrato nell'abbigliamento o addirittura impiantato nel corpo umano, ad esempio, per alimentare un pacemaker.
Flessibile, biologico, thin – proprietà che di solito non sono associate a centrali elettriche o sensori. Ma un nuovo materiale messo a punto dai ricercatori Empa è proprio questo:un sottile, biologico, film flessibile che genera elettricità se stirato e compresso. Questa pellicola di gomma potrebbe essere incorporata nei pulsanti di controllo, capi di abbigliamento, robot o anche persone, e monitorare le attività, registrare tocchi o generare elettricità quando sollecitati per alimentare dispositivi impiantati come pacemaker, Per esempio.
Trasformare il movimento in elettricità
Grazie all'effetto piezoelettrico, la gomma appositamente progettata è in grado di convertire i movimenti meccanici in cariche elettriche. Il trucco dietro la corrente generata è la polarizzazione interna che cambia quando il film di gomma viene sollecitato meccanicamente.
Questo effetto viene utilizzato nei pick-up audio su giradischi analogici, per esempio:la puntina viene guidata attraverso le scanalature del disco in modo da generare vibrazioni meccaniche. In un cristallo piezoelettrico, queste vibrazioni vengono convertite in impulsi elettrici, che a sua volta può essere amplificato e trasformato in onde sonore.
L'effetto piezoelettrico è stato scoperto nei cristalli dai fratelli Jacques e Pierre Curie nel 1880. Mentre conduceva esperimenti utilizzando cristalli di tormalina, hanno scoperto che le cariche elettriche sono state prodotte durante la deformazione meccanica sulla superficie dei cristalli. Ciò è dovuto ai dipoli nella struttura cristallina derivanti dalla deformazione. Le prime applicazioni sono state i trasduttori ultrasonici piezoelettrici e gli oscillatori a cristallo per la stabilizzazione della frequenza. Questo ha dato origine al primo orologio al quarzo presso i Bell Laboratories negli Stati Uniti nel 1928. Le ceramiche piezoelettriche prodotte industrialmente comprendono spesso titanato di zirconio e piombo (PZT). Credito:Wikipedia
Per molto tempo, l'effetto piezoelettrico era noto solo per i cristalli. Poiché questi sono pesanti e solidi, l'effetto può essere utilizzato solo in determinate applicazioni. Però, La ricercatrice dell'Empa Dorina Opris ei suoi colleghi sono ora riusciti a conferire agli elastomeri proprietà piezoelettriche. Tuttavia, il nuovo materiale non è facile da produrre. La gomma è un materiale composito composto da nanoparticelle polari e un elastomero (silicone nel prototipo). Prima di tutto, Yee Song Ko, un dottorando all'Empa, deve modellare i due materiali prima di collegarli. Questo produce un sottile, pellicola elastica, in cui le frazioni polari delle nanoparticelle sono ancora orientate casualmente.
Per creare un materiale piezoelettrico, Song Ko deve introdurre una polarizzazione interna utilizzando un forte campo elettrico. Per realizzare questo, il film viene riscaldato fino al superamento della temperatura di transizione vetrosa delle nanoparticelle e queste si trasformano da solide, stato vetroso in uno stato gommoso, viscoso. In queste condizioni, le frazioni polari sono orientate dal campo elettrico. L'orientamento ottenuto viene infine congelato raffreddando il materiale a temperatura ambiente.
Parti del corpo come una centrale elettrica
C'è una ricchezza di potenziali applicazioni per il nuovo film di gomma. Potrebbe essere utilizzato per costruire sensori di pressione, Per esempio. Se il materiale è compresso, viene prodotto un impulso elettrico che può essere ricevuto e "compreso" dai dispositivi. Questo può essere utilizzato per sviluppare un nuovo tipo di pulsanti di controllo, ma anche una pelle sensibile per i robot che possono sentire i tocchi (pressione). Inoltre, il film potrebbe essere utile nell'abbigliamento per monitorare le attività di chi lo indossa o per generare elettricità dai loro movimenti. "Probabilmente questo materiale potrebbe anche essere usato per ottenere energia dal corpo umano, " dice Opris. "Potresti impiantarlo vicino al cuore per generare elettricità dal battito cardiaco, per esempio." Questo potrebbe alimentare pacemaker o altri dispositivi impiantati, eliminando la necessità di operazioni invasive per cambiare la batteria.
