Ferroelektrisk polymer blir elastisk – Physics World

Ferroelektrisk polymer blir elastisk – Physics World

Tidsstämpel: 31 augusti 2023 8:57

Tre bilder av det nya nätliknande ferroelektriska materialet. Den första bilden visar materialet integrerat i ett genomskinligt plåster som kan gå på huden, den andra och tredje visar det i dess otränade och ansträngda tillstånd.
Stretchig ferroelektrisk: a) Ett nytt ferroelektriskt material kombinerar elasticitet med relativt hög kristallinitet. b) Det oansträngda materialet. c) Det elastiska ferroelektriska materialet under 70 % töjning. (Med tillstånd: NIMTE)

Även om polymerer vanligtvis är flexibla, tenderar polymerbaserade ferroelektriska material att vara stela. Att lägga till en liten mängd tvärbindande material kan dock ändra på det, och forskare vid Kinas Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) säger att deras nya "elastiska ferroelektriska" är elastiska och tillräckligt flexibla för användning i bärbar elektronik och implanterbar medicinsk utrustning.

Ferroelektricitet är ett materials förmåga att ändra sina elektriska egenskaper som svar på ett pålagt elektriskt fält. Det upptäcktes för drygt ett sekel sedan i vissa naturligt förekommande kristaller och utnyttjas nu i ett brett spektrum av teknologier, inklusive digital informationslagring, avkänning, optoelektronik och neuromorfisk beräkningar.

Konventionell ferroelektrik kan tillverkas av antingen keramik eller polymer, men även polymerbaserad ferroelektrisk är inte särskilt elastisk. Detta beror på att de innehåller kristallina områden som är stela.

Tvärbundet polymernätverk

Forskare ledd av Run-Wei Li har nu löst detta problem genom att tillsätta en tvärbindande kemikalie, mjuk långkedjig polyetylenoxid, till den ferroelektriska polymeren poly(vinylidenfluorid-trifluoretylen).

"Tvärbindning är ett allmänt sätt att ge motståndskraft mot plastpolymerer där tvärbindningsdensitetsintervallet är 1-10 % (det vill säga en till tio upprepade enheter tvärbundna i varje hundra upprepade enheter i polymerkedjor)", förklarar studieteammedlem Ben-Lin Hu.

I den högre delen av detta intervall tillägger Hu emellertid att blandningens kristallinitet minskar dramatiskt, vilket försvagar materialets ferroelektriska respons. Tvärbindningstätheten som behövs för att göra elastisk ferroelektrik är därför mycket lägre, vilket leder till att forskarna kallar det "lätt tvärbindning".

När NIMTE forskare begränsade tvärbindarens densitet till bara 1-2%, fann de att en beta-fas kristallin struktur var likformigt dispergerad i det tvärbundna polymernätverket. Detta nya tvärbundna polymernätverk kan jämnt fördela och bära externa krafter, säger forskarna, mildra skador på de kristallina regionerna och skapa ett nytt ferroelektriskt material som kombinerar elasticitet med relativt hög kristallinitet. Faktum är att den tvärbundna filmen behåller sin ferroelektricitet även under belastningar på 70 % tack vare sin förbättrade elasticitet.

Den nya elastiska ferroelektriken skulle kunna användas i bärbar/implanterbar elektronik, såsom sensorer och smart sjukvård, såväl som i informationslagring och energitransduktion, säger Hu. Elastiska ferroelektriska egenskaper har också vissa exotiska egenskaper som kan vara användbara för strukturer som elastomerer med en gigantisk (>1000) dielektricitetskonstant, spinnventiler med en stor magnetoelektrisk kopplingseffekt och dielektriska kondensatorer som har energitätheter i nivå med litiumjonbatterier, men med laddnings- och urladdningstider i storleksordningen bara mikrosekunder.

Forskarna säger att de nu planerar att optimera egenskaperna hos deras elastiska ferroelektriska komponenter och kommer att fokusera främst på material med höga dielektriska och höga piezoelektriska konstanter. "De här skulle kunna användas i energilagring och -transduktion och informationsavkänning och minne," berättar Hu Fysikvärlden.

De beskriver sitt nuvarande arbete i Vetenskap.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden