Piezoelektrische Polymere

Ein von der Penn State geführtes Team interdisziplinärer Forscher hat ein Polymer mit robuster piezoelektrischer Wirksamkeit entwickelt, das zu einer um 60 % effizienteren Stromerzeugung als bei früheren Iterationen führt.

Piezoelektrische Materialien wandeln mechanische Belastung in Elektrizität um oder umgekehrt und können in Sensoren, Aktuatoren und vielen anderen Anwendungen nützlich sein. Laut Qiming Zhang, Distinguished Professor of Electrical Engineering, kann die Implementierung von Piezoelektrika in Polymere – Materialien, die aus Molekülketten bestehen und üblicherweise in Kunststoffen, Arzneimitteln und mehr verwendet werden – schwierig sein.

„In der Vergangenheit war die elektromechanische Kopplung von Polymeren sehr gering“, sagte Zhang. „Wir wollten dies verbessern, weil die relative Weichheit von Polymeren sie zu hervorragenden Kandidaten für weiche Sensoren und Aktoren in einer Vielzahl von Bereichen macht, darunter Biosensorik, Sonar, künstliche Muskeln und mehr.“

Um das Material herzustellen, brachten die Forscher gezielt chemische Verunreinigungen in das Polymer ein. Dieser als Dotierung bezeichnete Prozess ermöglicht es Forschern, die Eigenschaften eines Materials so abzustimmen, dass gewünschte Effekte erzielt werden – vorausgesetzt, sie integrieren die richtige Anzahl von Verunreinigungen. Die Zugabe von zu wenig Dotierstoff könnte verhindern, dass der gewünschte Effekt eintritt, während die Zugabe von zu viel unerwünschte Eigenschaften einführen könnte, die die Funktion des Materials beeinträchtigen.

Die Dotierung verzerrt den Abstand zwischen positiven und negativen Ladungen innerhalb der Strukturkomponenten des Polymers. Diese Verzerrung trennt die entgegengesetzten Ladungen, wodurch die Komponenten eine externe elektrische Ladung effizienter akkumulieren können. Diese Akkumulation verbessert die Stromübertragung im Polymer, wenn es verformt wird, sagte Zhang.

Um den Dotierungseffekt zu verstärken und die Ausrichtung der Molekülketten sicherzustellen, streckten die Forscher das Polymer. Diese Ausrichtung fördert laut Zhang eher eine elektromechanische Reaktion als bei einem Polymer mit zufällig ausgerichteten Ketten.

„Die Effizienz der Stromerzeugung des Polymers wurde enorm gesteigert“, sagte Zhang. „Mit diesem Prozess haben wir eine Effizienz von 70 % erreicht – eine enorme Verbesserung gegenüber der Effizienz von zuvor 10 %.“

Diese robuste elektromechanische Leistung, die eher bei steifen Keramikmaterialien üblich ist, könnte eine Vielzahl von Anwendungen für das flexible Polymer ermöglichen.

Da das Polymer Schallwellen ähnlich widersteht wie Wasser und menschliches Gewebe, könnte es für medizinische Bildgebung, Unterwasserhydrophone oder Drucksensoren verwendet werden.

Polymere sind in der Regel auch leichter und konfigurierbarer als Keramiken, sodass dieses Polymer Möglichkeiten bieten könnte, Verbesserungen in der Bildgebung, Robotik und mehr zu erforschen, sagte Zhang.