En ny grundläggande förståelse av polymerrelaxor-ferroelektriskt beteende kan leda till framsteg inom flexibel elektronik, ställdon och givare, energilagring, piezoelektriska sensorer och elektrokalorisk kylning, enligt ett team av forskare vid Penn State och North Carolina State.

Forskare har diskuterat teorin bakom mekanismen för relaxor ferroelektrik i mer än 50 år, sa Qing Wang, professor i materialvetenskap och teknik vid Penn State. Även om relaxor ferroelektrik är välkänd, fundamentalt fascinerande och tekniskt användbara material, a Natur artikeln kommenterade 2006 att de var heterogena, hopplösa röror.

Utan en grundläggande förståelse av mekanismen, få framsteg har gjorts när det gäller att designa nya relaxor ferroelektriska material. Den nya förståelsen, som bygger på både experiment och teoretisk modellering, visar att relaxorferroelektricitet i polymerer kommer från kedjekonformationsstörningar inducerade av kiralitet. Kiralitet är en egenskap hos många organiska material där molekyler är spegelbilder av varandra, men inte exakt samma. Relaxormekanismen i polymerer skiljer sig mycket från den mekanism som föreslås för keramer vars relaxorbeteende härrör från kemiska störningar.

"Skillnad från ferroelektrik, relaxatorer uppvisar inga långväga stora ferroelektriska domäner utan oordnade lokala polära domäner, " Wang förklarade. "Forskningen i relaxor polymera material har varit utmanande på grund av närvaron av flera faser såsom kristallina, amorft och kristallint-amorft gränsyta i polymerer."

I energilagringskondensatorer, relaxatorer kan leverera en mycket högre energitäthet än normal ferroelektrisk, som har hög ferroelektrisk förlust som omvandlas till spillvärme. Dessutom, Relaxatorer kan generera större spänningar under de pålagda elektriska fälten och har en mycket bättre effektivitet för energiomvandling än normal ferroelektrisk, vilket gör dem till föredragna material för ställdon och sensorer.

Penn State har en lång historia av upptäckter inom ferroelektriska material. Qiming Zhang, professor i elektroteknik vid Penn State, upptäckte den första relaxor ferroelektriska polymeren 1998, när han använde en elektronstråle för att bestråla en ferroelektrisk polymer och fann att den hade blivit en relaxor. Zhang tillsammans med Qing Wang gjorde också avgörande upptäckter i den elektrokaloriska effekten med hjälp av relaxerande polymerer, som möjliggör kylning i fast tillstånd utan användning av skadliga gaser och använder mycket mindre energi än konventionell kylning.

"Den nya förståelsen av relaxorbeteende skulle öppna för oss oöverträffade möjligheter att designa relaxor ferroelektriska polymerer för en rad energilagrings- och omvandlingsapplikationer, " sa Wang.

Deras arbete, "Kiralitetsinducerade relaxoregenskaper i ferroelektriska polymerer, " visas idag, 29 juni, i journalen Naturmaterial .