Un nouveau type de polymère ferroélectrique qui est exceptionnellement efficace pour convertir l’énergie électrique en contrainte mécanique est prometteur en tant que contrôleur de mouvement ou « actionneur » hautes performances avec un grand potentiel pour les applications dans les dispositifs médicaux, la robotique avancée et les systèmes de positionnement de précision, selon un équipe de chercheurs internationaux dirigée par Penn State.
La contrainte mécanique, la façon dont un matériau change de forme lorsqu’une force est appliquée, est une propriété importante pour un actionneur, c’est-à-dire tout matériau qui changera ou se déformera lorsqu’une force externe telle que l’énergie électrique est appliquée. Traditionnellement, ces matériaux d’actionneurs étaient rigides, mais les actionneurs souples tels que les polymères ferroélectriques affichent une flexibilité et une adaptabilité environnementale plus élevées.
La recherche a démontré le potentiel des nanocomposites polymères ferroélectriques pour surmonter les limites des composites polymères piézoélectriques traditionnels, offrant une voie prometteuse pour le développement d’actionneurs souples avec des performances de déformation et une densité d’énergie mécanique améliorées. Les actionneurs souples intéressent particulièrement les chercheurs en robotique en raison de leur force, de leur puissance et de leur flexibilité.
« Potentiellement, nous pouvons maintenant avoir un type de robotique douce que nous appelons muscle artificiel », a déclaré Qing Wang, professeur de science et d’ingénierie des matériaux de Penn State et co-auteur correspondant de l’étude récemment publiée dans Matériaux naturels. « Cela nous permettrait d’avoir une matière molle capable de supporter une charge élevée en plus d’une grande contrainte. Ainsi, ce matériau ressemblerait davantage à un muscle humain, proche du muscle humain. »
Cependant, il y a quelques obstacles à surmonter avant que ces matériaux puissent tenir leurs promesses, et des solutions potentielles à ces obstacles ont été proposées dans l’étude. Les ferroélectriques sont une classe de matériaux qui présentent une polarisation électrique spontanée lorsqu’une charge électrique externe est appliquée et que des charges positives et négatives dans les matériaux se dirigent vers différents pôles. La déformation de ces matériaux pendant la transition de phase, dans ce cas la conversion de l’énergie électrique en énergie mécanique, peut complètement changer des propriétés telles que sa forme, les rendant utiles comme actionneurs.
Une application courante d’un actionneur ferroélectrique est une imprimante à jet d’encre, où la charge électrique modifie la forme de l’actionneur pour contrôler avec précision les minuscules buses qui déposent de l’encre sur le papier pour former du texte et des images.
Bien que de nombreux matériaux ferroélectriques soient des céramiques, ils peuvent également être des polymères, une classe de matériaux naturels et synthétiques constitués de nombreuses unités similaires liées ensemble. Par exemple, l’ADN est un polymère, tout comme le nylon. Un avantage des polymères ferroélectriques est qu’ils présentent une quantité énorme de la contrainte induite par le champ électrique nécessaire à l’actionnement. Cette contrainte est beaucoup plus élevée que celle générée par d’autres matériaux ferroélectriques utilisés pour les actionneurs, tels que la céramique.
Cette propriété des matériaux ferroélectriques, associée à un haut niveau de flexibilité, un coût réduit par rapport aux autres matériaux ferroélectriques et un faible poids, suscite un grand intérêt pour les chercheurs dans le domaine en plein essor de la robotique douce, la conception de robots avec des pièces flexibles et l’électronique.
« Dans cette étude, nous avons proposé des solutions à deux défis majeurs dans le domaine de l’actionnement des matériaux souples », a déclaré Wang. « L’un est de savoir comment améliorer la force des matériaux souples. Nous savons que les matériaux d’actionnement souples qui sont des polymères ont la plus grande contrainte, mais ils génèrent beaucoup moins de force que les céramiques piézoélectriques. »
Le deuxième défi est qu’un actionneur polymère ferroélectrique a généralement besoin d’un champ d’entraînement très élevé, qui est une force qui impose un changement dans le système, tel que le changement de forme dans un actionneur. Dans ce cas, le champ d’entraînement élevé est nécessaire pour générer le changement de forme dans le polymère nécessaire à la réaction ferroélectrique nécessaire pour devenir un actionneur.
La solution proposée pour améliorer les performances des polymères ferroélectriques était de développer un nanocomposite polymère ferroélectrique percolatif, une sorte d’autocollant microscopique fixé au polymère. En incorporant des nanoparticules dans un type de polymère, le fluorure de polyvinylidène, les chercheurs ont créé un réseau interconnecté de pôles au sein du polymère.
Ce réseau a permis d’induire une transition de phase ferroélectrique à des champs électriques beaucoup plus faibles que ce qui serait normalement nécessaire. Ceci a été réalisé via une méthode électrothermique utilisant le chauffage Joule, qui se produit lorsque le courant électrique traversant un conducteur produit de la chaleur. L’utilisation du chauffage Joule pour induire la transition de phase dans le polymère nanocomposite n’a nécessité que moins de 10 % de la force d’un champ électrique généralement nécessaire pour le changement de phase ferroélectrique.
« En règle générale, cette contrainte et cette force dans les matériaux ferroélectriques sont corrélées les unes aux autres, dans une relation inverse », a déclaré Wang. « Maintenant, nous pouvons les intégrer ensemble dans un seul matériau, et nous avons développé une nouvelle approche pour le conduire en utilisant le chauffage Joule. Étant donné que le champ de conduite va être beaucoup plus faible, moins de 10 %, c’est pourquoi ce nouveau matériau peut être utilisé pour de nombreuses applications qui nécessitent un faible champ d’entraînement pour être efficaces, telles que les dispositifs médicaux, les dispositifs optiques et la robotique douce. »
Plus d’information:
Yang Liu et al, Actionnement électrothermique dans les nanocomposites polymères ferroélectriques percolatifs, Matériaux naturels (2023). DOI : 10.1038/s41563-023-01564-7
Actionnement de polymère utilisant une transition de phase ferroélectrique induite par effet Joule, Matériaux naturels (2023). DOI : 10.1038/s41563-023-01566-5