Verbesserung des elektromechanischen Verhaltens eines flexiblen Polymers

Piezoelektrische Materialien wandeln mechanische Belastung in Elektrizität um oder umgekehrt und können in Sensoren, Aktuatoren und vielen anderen Anwendungen nützlich sein. Laut Qiming Zhang, einem angesehenen Professor für Elektrotechnik, kann die Implementierung von Piezoelektrika in Polymere – Materialien, die aus Molekülketten bestehen und häufig in Kunststoffen, Arzneimitteln und mehr verwendet werden – schwierig sein.

Zhang und ein von der Penn State geleitetes Team interdisziplinärer Forscher entwickelten ein Polymer mit robuster piezoelektrischer Wirksamkeit, das zu einer um 60 % effizienteren Stromerzeugung als bei früheren Iterationen führte. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie heute in Wissenschaft.

„In der Vergangenheit war die elektromechanische Kopplung von Polymeren sehr gering“, sagte Zhang. „Wir wollten dies verbessern, weil die relative Weichheit von Polymeren sie zu hervorragenden Kandidaten für weiche Sensoren und Aktoren in einer Vielzahl von Bereichen macht, darunter Biosensorik, Sonar, künstliche Muskeln und mehr.“

Um das Material herzustellen, haben die Forscher gezielt chemische Verunreinigungen in das Polymer eingebaut. Dieser als Dotierung bezeichnete Prozess ermöglicht es Forschern, die Eigenschaften eines Materials abzustimmen, um gewünschte Effekte zu erzielen – vorausgesetzt, sie integrieren die richtige Anzahl von Verunreinigungen. Das Hinzufügen von zu wenig Dotierstoff könnte verhindern, dass der gewünschte Effekt eintritt, während das Hinzufügen von zu viel unerwünschte Eigenschaften einführen könnte, die die Funktion des Materials beeinträchtigen.

Die Dotierung verzerrt den Abstand zwischen positiven und negativen Ladungen innerhalb der Strukturkomponenten des Polymers. Die Verzerrung trennt die entgegengesetzten Ladungen, wodurch die Komponenten eine externe elektrische Ladung effizienter akkumulieren können. Diese Akkumulation verbessert die Stromübertragung im Polymer, wenn es verformt wird, sagte Zhang.

Um den Dotierungseffekt zu verstärken und die Ausrichtung der Molekülketten sicherzustellen, streckten die Forscher das Polymer. Diese Ausrichtung fördert laut Zhang eher eine elektromechanische Reaktion als bei einem Polymer mit zufällig ausgerichteten Ketten.

„Die Effizienz der Stromerzeugung des Polymers wurde enorm gesteigert“, sagte Zhang. „Mit diesem Prozess haben wir eine Effizienz von 70 % erreicht – eine enorme Verbesserung gegenüber der Effizienz von zuvor 10 %.“

Diese robuste elektromechanische Leistung, die eher bei steifen Keramikmaterialien üblich ist, könnte eine Vielzahl von Anwendungen für das flexible Polymer ermöglichen. Da das Polymer Schallwellen ähnlich widersteht wie Wasser und menschliches Gewebe, könnte es für medizinische Bildgebung, Unterwasser-Hydrophone oder Drucksensoren verwendet werden. Polymere neigen auch dazu, leichter und konfigurierbarer zu sein als Keramiken, so dass dieses Polymer Möglichkeiten bieten könnte, Verbesserungen in der Bildgebung, Robotik und mehr zu erforschen, sagte Zhang.