Una serie di nanotubi polimerici piezoelettrici cavi coltivati ​​dai ricercatori di A*STAR potrebbe essere utilizzata come sensore acustico estremamente sensibile.

I tubi sono costituiti da un polimero piezoelettrico chiamato poli(fluoruro di vinilidene-co-trifluoroetilene), o P(VDF-TrFE)—a cui l'applicazione di una tensione provoca un cambiamento di forma; al contrario, il polimero genera una tensione quando viene premuto o attorcigliato. I polimeri piezoelettrici sono notevolmente più flessibili di altri materiali piezoelettrici, e sono molto reattivi alla pressione.

La formazione di materiali piezoelettrici in nanotubi può migliorare le loro proprietà, ma i nanotubi polimerici flessibili tendono ad aggregarsi in fasci.

Kui Yao e colleghi dell'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, e l'Università Nazionale di Singapore, hanno ora sviluppato un metodo per creare array verticali di nanotubi cavi P(VDF-TrFE), aumentando significativamente le loro capacità piezoelettriche. "Per la prima volta, abbiamo dimostrato prestazioni piezoelettriche migliorate in un array di nanotubi P(VDF-TrFE) di alta qualità, " dice Yao.

Il team ha prima realizzato un modello, un sottile foglio di allumina anodizzata con pori verticali profondi fino a 4 micrometri e larghi 350 nanometri, e ha aggiunto un rivestimento di P(VDF-TrFE). Il riscaldamento a 250 gradi Celsius ha fuso il polimero nei pori, rivestendone le pareti. Hanno ripetuto il ciclo 15 volte per creare un rivestimento polimerico di 60 nanometri di spessore.

Hanno coperto la sagoma caricata di polimero con un sottile elettrodo d'oro, quindi capovolto la struttura e montata su un substrato di vetro. Hanno usato un acido per incidere parte dell'allumina, esponendo le punte dei nanotubi polimerici cavi all'interno (vedi immagine), e li ricoprì con un altro elettrodo d'oro.

La diffrazione dei raggi X e la spettrometria a infrarossi hanno rivelato che la polarizzazione elettrica del polimero era allineata con l'asse del nanotubo, che ha aumentato la polarizzazione complessiva in quella direzione di 1,5 volte. "Il meccanismo dominante per migliorare le prestazioni piezoelettriche si basa su questo orientamento molecolare unico e sulla struttura del nanotubo, " dice Yao.

I ricercatori hanno scoperto che una tensione alternata ha cambiato la deformazione dei nanotubi quasi il doppio rispetto a un film P(VDF-TrFE) standard. Hanno anche ipotizzato che l'applicazione di una piccola sollecitazione alla struttura potrebbe produrre una tensione molte volte maggiore rispetto ai materiali piezoelettrici convenzionali, e più di tre volte quella di un film polimerico piezoelettrico standard. "Questi sono indicatori importanti delle prestazioni di un materiale piezoelettrico per applicazioni elettromeccaniche come raccoglitori di energia, sensori e trasduttori, " dice Yao. "Stiamo ora lavorando alla dimostrazione di sensori acustici che utilizzano l'array di nanotubi P(VDF-TrFE), con una maggiore sensibilità rispetto ai tradizionali film piezoelettrici."