Ferroelektrisk polymer bliver elastisk – Physics World

Ferroelektrisk polymer bliver elastisk – Physics World

Tidsstempel: 31. august 2023 kl. 8

Tre billeder af det nye mesh-lignende ferroelektriske materiale. Det første billede viser materialet integreret i et klart plaster, der kan gå på huden, det andet og tredje viser det i sin uanstrengte og anstrengte tilstand.
Strækbar ferroelektrik: a) Et nyt ferroelektrisk materiale kombinerer elasticitet med relativt høj krystallinitet. b) Det uspændte materiale. c) Det elastiske ferroelektriske materiale under 70 % belastning. (Med høflighed: NIMTE)

Selvom polymerer normalt er fleksible, har polymerbaserede ferroelektriske materialer en tendens til at være stive. Tilføjelse af en lille mængde tværbindende materiale kan dog ændre det, og forskere ved Kinas Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) siger, at deres nye "elastiske ferroelektriske komponenter" er elastiske og fleksible nok til brug i bærbar elektronik og implanterbart medicinsk udstyr.

Ferroelektricitet er et materiales evne til at ændre dets elektriske egenskaber som reaktion på et påført elektrisk felt. Det blev opdaget for lidt over et århundrede siden i visse naturligt forekommende krystaller og udnyttes nu i en lang række teknologier, herunder digital informationslagring, sansning, optoelektronik og neuromorfisk databehandling.

Konventionel ferroelektrik kan fremstilles af enten keramik eller polymer, men selv polymerbaseret ferroelektrik er ikke særlig elastisk. Dette skyldes, at de indeholder krystallinske områder, der er stive.

Tværbundet polymernetværk

Forskere ledet af Run-Wei Li har nu løst dette problem ved at tilføje et tværbindende kemikalie, blødt langkædet polyethylenoxid, til den ferroelektriske polymer poly(vinylidenfluorid-trifluorethylen).

"Tværbinding er en generel måde at give modstandsdygtighed over for plastpolymerer, hvor tværbindingstætheden er 1-10 % (det vil sige en til ti gentagne enheder tværbundet i hver hundrede gentagne enheder i polymerkæder)," forklarer studieteammedlem Ben-Lin Hu.

I den højere ende af dette område tilføjer Hu dog, at blandingens krystallinitet falder dramatisk, hvilket svækker materialets ferroelektriske respons. Den tværbindingstæthed, der er nødvendig for at fremstille elastisk ferroelektrisk elektronik, er derfor meget lavere, hvilket får forskerne til at kalde det "let tværbinding".

Når NIMTE forskere begrænsede tætheden af ​​tværbinderen til kun 1-2%, fandt de ud af, at en beta-fase krystallinsk struktur var ensartet spredt i det tværbundne polymernetværk. Dette nye tværbundne polymernetværk kan jævnt fordele og bære eksterne kræfter, siger forskerne, afbøde skader på de krystallinske områder og skabe et nyt ferroelektrisk materiale, der kombinerer elasticitet med relativt høj krystallinitet. Faktisk bevarer den tværbundne film sin ferroelektricitet selv under belastninger på 70 % takket være dens forbedrede elasticitet.

Det nye elastiske ferroelektriske materiale kunne bruges i bærbar/implanterbar elektronik, såsom sensorer og smart sundhedspleje, såvel som i informationslagring og energitransduktion, siger Hu. Elastiske ferroelektriske stoffer har også nogle eksotiske egenskaber, der kan være nyttige til strukturer såsom elastomerer med en gigantisk (>1000) dielektricitetskonstant, spinventiler med en stor magnetoelektrisk koblingseffekt og dielektriske kondensatorer, der har energitætheder på niveau med lithium-ion-batterier, men med opladnings- og afladningstider i størrelsesordenen blot mikrosekunder.

Forskerne siger, at de nu planlægger at optimere egenskaberne af deres elastiske ferroelektriske stoffer og primært vil fokusere på materialer med høje dielektriske og høje piezoelektriske konstanter. "Disse kunne bruges til energilagring og -transduktion og informationssansning og hukommelse," fortæller Hu Fysik verden.

De beskriver deres nuværende arbejde i Videnskab.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden