El polímero ferroeléctrico se vuelve elástico – Física Mundial

El polímero ferroeléctrico se vuelve elástico – Física Mundial

Marca de tiempo: 31 de agosto de 2023 8:57 a.m.

Tres imágenes del nuevo material ferroeléctrico con forma de malla. La primera imagen muestra el material integrado en un parche transparente que podría aplicarse a la piel, la segunda y la tercera lo muestran en su estado tenso y sin tensiones.
Ferroeléctricos elásticos: a) Un nuevo material ferroeléctrico combina elasticidad con una cristalinidad relativamente alta. b) El material no deformado. c) El ferroeléctrico elástico bajo una deformación del 70%. (Cortesía: NIMTE)

Aunque los polímeros suelen ser flexibles, los materiales ferroeléctricos basados ​​en polímeros tienden a ser rígidos. Sin embargo, agregar una pequeña cantidad de material reticulante puede cambiar eso, y los investigadores del Instituto de Tecnología e Ingeniería de Materiales de Ningbo (NIMTE) de China dicen que sus nuevos "ferroeléctricos elásticos" son lo suficientemente resistentes y flexibles para su uso en dispositivos electrónicos portátiles y dispositivos médicos implantables.

La ferroelectricidad es la capacidad de un material para cambiar sus propiedades eléctricas en respuesta a un campo eléctrico aplicado. Fue descubierto hace poco más de un siglo en ciertos cristales naturales y ahora se explota en una amplia gama de tecnologías, incluido el almacenamiento de información digital, la detección, la optoelectrónica y la computación neuromórfica.

Los ferroeléctricos convencionales pueden fabricarse a partir de cerámica o polímeros, pero incluso los ferroeléctricos a base de polímeros no son muy elásticos. Esto se debe a que contienen regiones cristalinas que son rígidas.

Red de polímeros reticulados

Investigadores liderados por Run-Wei Li Ahora han resuelto este problema añadiendo una sustancia química reticulante, óxido de polietileno de cadena larga y suave, al polímero ferroeléctrico poli(fluoruro de vinilideno-trifluoroetileno).

"La reticulación es una forma general de dotar de resiliencia a los polímeros plásticos en los que el rango de densidad de reticulación es del 1 al 10% (es decir, de una a diez unidades repetidas reticuladas en cada cien unidades repetidas en las cadenas de polímeros)", explica un miembro del equipo de estudio. Ben Lin Hu.

Sin embargo, en el extremo superior de este rango, Hu añade que la cristalinidad de la mezcla disminuye drásticamente, debilitando la respuesta ferroeléctrica del material. Por lo tanto, la densidad de reticulación necesaria para producir ferroeléctricos elásticos es mucho menor, lo que lleva a los investigadores a denominarla "reticulación ligera".

Cuando el NIMTE Los investigadores limitaron la densidad del reticulante a solo 1-2% y descubrieron que una estructura cristalina de fase beta estaba uniformemente dispersada en la red de polímero reticulado. Esta nueva red de polímeros reticulados puede distribuir y soportar fuerzas externas de manera uniforme, dicen los investigadores, mitigando el daño a las regiones cristalinas y creando un nuevo material ferroeléctrico que combina elasticidad con una cristalinidad relativamente alta. De hecho, la película reticulada conserva su ferroelectricidad incluso bajo tensiones del 70% gracias a su elasticidad mejorada.

El nuevo ferroeléctrico elástico podría usarse en electrónica portátil/implantable, como sensores y atención médica inteligente, así como en almacenamiento de información y transducción de energía, afirma Hu. Los ferroeléctricos elásticos también tienen algunas propiedades exóticas que podrían ser útiles para estructuras como elastómeros con una constante dieléctrica gigante (>1000), válvulas de giro con un gran efecto de acoplamiento magnetoeléctrico y condensadores dieléctricos que tienen densidades de energía a la par de las baterías de iones de litio. pero con tiempos de carga y descarga del orden de apenas microsegundos.

Los investigadores dicen que ahora planean optimizar las propiedades de sus ferroeléctricos elásticos y se centrarán principalmente en materiales con altas constantes dieléctricas y piezoeléctricas altas. "Estos podrían usarse en el almacenamiento y transducción de energía y en la detección y memoria de información", dice Hu. Mundo de la física.

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