Les matériaux piézoélectriques convertissent les contraintes mécaniques en électricité, ou vice versa, et peuvent être utiles dans les capteurs, les actionneurs et de nombreuses autres applications. Mais la mise en œuvre de piézoélectriques dans les polymères – des matériaux composés de chaînes moléculaires et couramment utilisés dans les plastiques, les médicaments et plus encore – peut être difficile, selon Qiming Zhang, éminent professeur de génie électrique.
Zhang et une équipe de chercheurs interdisciplinaires dirigée par l’État de Penn ont développé un polymère doté d’une efficacité piézoélectrique robuste, entraînant une production d’électricité 60 % plus efficace que les itérations précédentes. Ils ont publié leurs résultats aujourd’hui dans La science.
« Historiquement, le couplage électromécanique des polymères a été très faible », a déclaré Zhang. « Nous avons entrepris d’améliorer cela parce que la douceur relative des polymères en fait d’excellents candidats pour les capteurs et actionneurs souples dans une variété de domaines, y compris la biodétection, le sonar, les muscles artificiels et plus encore. »
Pour créer le matériau, les chercheurs ont délibérément implémenté des impuretés chimiques dans le polymère. Ce processus, connu sous le nom de dopage, permet aux chercheurs d’ajuster les propriétés d’un matériau pour générer des effets souhaitables, à condition qu’ils intègrent le nombre correct d’impuretés. Ajouter trop peu de dopant pourrait empêcher l’effet désiré de se déclencher, tandis qu’en ajouter trop pourrait introduire des traits indésirables qui entravent la fonction du matériau.
Le dopage déforme l’espacement entre les charges positives et négatives dans les composants structurels du polymère. La distorsion sépare les charges opposées, permettant aux composants d’accumuler plus efficacement une charge électrique externe. Cette accumulation améliore le transfert d’électricité dans le polymère lorsqu’il est déformé, a déclaré Zhang.
Pour renforcer l’effet dopant et assurer l’alignement des chaînes moléculaires, les chercheurs ont étiré le polymère. Cet alignement, selon Zhang, favorise davantage une réponse électromécanique qu’à partir d’un polymère avec des chaînes alignées de manière aléatoire.
« L’efficacité de la production d’électricité du polymère a été considérablement augmentée », a déclaré Zhang. « Grâce à ce processus, nous avons atteint une efficacité de 70 %, une amélioration considérable par rapport à une efficacité de 10 % auparavant. »
Cette performance électromécanique robuste, qui est plus courante dans les matériaux céramiques rigides, pourrait permettre une variété d’applications pour le polymère flexible. Parce que le polymère présente une résistance aux ondes sonores similaire à celle de l’eau et des tissus humains, il pourrait être appliqué pour une utilisation dans l’imagerie médicale, les hydrophones sous-marins ou les capteurs de pression. Les polymères ont également tendance à être plus légers et configurables que la céramique, ce polymère pourrait donc offrir des opportunités d’explorer des améliorations dans l’imagerie, la robotique et plus encore, a déclaré Zhang.
Xin Chen et al, Le polymère ferroélectrique Relaxor présente un couplage électromécanique ultra-élevé à faible champ électrique, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abn0936. www.science.org/doi/10.1126/science.abn0936