Revolutionärer piezoelektrischer Polymer steigert Energiekonversion um 60%

Ein von Penn State geführtes Team interdisziplinärer Forscher hat einen Polymer mit robuster piezoelektrischer Wirksamkeit entwickelt, was zu 60 % effizienterer Stromerzeugung als bei früheren Versionen führt.

Piezoelektrische Materialien wandeln mechanische Spannung in Elektrizität um oder umgekehrt und können in Sensoren, Aktuatoren und vielen anderen Anwendungen nützlich sein. Aber die Implementierung von Piezoelektrika in Polymeren – Materialien, die aus molekularen Ketten bestehen und häufig in Kunststoffen, Medikamenten und mehr verwendet werden – kann schwierig sein, laut Qiming Zhang, Distinguished Professor of Electrical Engineering.

„Historisch war die elektromechanische Kopplung von Polymeren sehr niedrig“, sagte Zhang. „Wir machten uns daran, dies zu verbessern, weil die relative Weichheit von Polymeren sie zu hervorragenden Kandidaten für weiche Sensoren und Aktuatoren in einer Vielzahl von Bereichen macht, einschließlich Biosensing, Sonar, künstliche Muskeln und mehr.“

Um das Material zu erstellen, führten die Forscher absichtlich chemische Verunreinigungen in den Polymer ein. Dieser Prozess, bekannt als Dotierung, ermöglicht es Forschern, die Eigenschaften eines Materials abzustimmen, um wünschenswerte Effekte zu erzeugen – vorausgesetzt, sie integrieren die korrekte Anzahl an Verunreinigungen. Zu wenig Dotierung könnte den gewünschten Effekt verhindern, während zu viel unerwünschte Eigenschaften einführen könnte, die die Funktion des Materials beeinträchtigen.

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

Um den Dotierungseffekt zu verstärken und die Ausrichtung der molekularen Ketten sicherzustellen, dehnten die Forscher den Polymer. Diese Ausrichtung, so Zhang, fördert mehr elektromechanische Reaktion als bei einem Polymer mit zufällig ausgerichteten Ketten.

„Die Effizienz der Stromerzeugung des Polymers wurde drastisch erhöht“, sagte Zhang. „Mit diesem Prozess erreichten wir 70 % Effizienz – eine gewaltige Verbesserung von der 10 % Effizienz zuvor.“

Diese robuste elektromechanische Leistung, die häufiger in steifen keramischen Materialien vorkommt, könnte eine Vielzahl von Anwendungen für den flexiblen Polymer ermöglichen.

Da der Polymer eine Widerstandsfähigkeit gegen Schallwellen aufweist, die der von Wasser und menschlichem Gewebe ähnelt, könnte er für medizinische Bildgebung, Unterwasser-Hydrophone oder Drucksensoren angewendet werden.

Polymere neigen auch dazu, leichter und konfigurierbarer als Keramiken zu sein, sodass dieser Polymer Möglichkeiten eröffnen könnte, Verbesserungen in Bildgebung, Robotik und mehr zu erforschen, sagte Zhang.