En närbild av den nya piezoelektriska kristallen som utvecklats av NTU -forskare, som kan böja upp till 40 gånger mer än de konventionella ferroelektriska kristallerna som vanligtvis används i små ställdon och sensorer.
Ett team av forskare under ledning av Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har utvecklat ett nytt material, att när el appliceras på den, kan böja och böja sig fyrtio gånger mer än sina konkurrenter, öppnar vägen för bättre mikromaskiner.
Omvänt, när den är böjd, den genererar elektricitet mycket effektivt och kan användas för bättre ”energiupptagning” - eventuellt ladda batterier i prylar bara från vardagliga rörelser.
Det nya materialet är både elektrostriktivt och piezoelektriskt. Dess elektrostriktiva egenskaper innebär att den kan ändra form när en elektrisk ström appliceras, medan piezoelektriska betyder att materialet kan omvandla tryck till elektriska laddningar.
När ett elektriskt fält appliceras, atomerna som utgör elektrostriktiva material skiftar, får materialet att deformeras och böjas. När piezoelektriker komprimeras, trycket omvandlas till elektriska laddningar som ackumuleras i materialet.
Forskarna fann att när ett elektriskt fält appliceras, det nya hybridmaterialet kan töjas upp till 22%, den högsta stammen som hittills har rapporterats i ett piezoelektriskt material. Detta överträffar mycket konventionella piezoelektriska material som bara deformeras upp till 0,5% när en ström passerar genom den. Det nya materialet är också mer energieffektivt än andra piezoelektriska och elektrostriktiva material.
Piezoelektriska material används vanligtvis i gitarrer, högtalare, sensorer och elmotorer. Till exempel, en piezoelektrisk pick-up är en enhet som används i en elgitarr för att omvandla vibrationerna från strängarna till en elektrisk signal, som sedan bearbetas för musikinspelning eller för att förstärkas via högtalare.
Ferroelektriska kristaller upptäcktes först 1920 och har använts för att göra piezoelektriska i över 70 år, eftersom de enkelt kan integreras i elektriska enheter.
Dock, de är spröda och oflexibla, böjer endast 0,5%, som i stor utsträckning begränsar deras tillämpning i elektroniska enheter som manöverdon (delar som omvandlar en elektrisk styrsignal till mekanisk rörelse, till exempel, en ventil som öppnas och stängs).
Vissa ferroelektriska ämnen innehåller också bly, vilket är giftigt, och dess närvaro i piezoelektriska enheter är en av anledningarna till att elektroniskt avfall är utmanande att återvinna. Traditionella ferroelektriska ämnen som perovskitoxider är också olämpliga för flexibla elektriska apparater som kommer i kontakt med huden, till exempel bärbara biomedicinska enheter som spårar hjärtfrekvensen.
Publicerad i den vetenskapliga tidskriften Nature Materials förra månaden, det nya materialet skapades på NTU av professor Fan Jin från skolan för fysikaliska och matematiska vetenskaper och hans team, inklusive hans doktorsexamen studenten Hu Yuzhong som är den första författaren till detta papper. En del av teamet är också professor Junling Wang från södra universitetet för vetenskap och teknik, Kina, en tidigare NTU -professor vid School of Materials Science and Engineering.
Prof Fan sa:"Att vara mer än 40 gånger mer flexibel än liknande elektrostriktiva material, det nya ferroelektriska materialet kan användas i högeffektiva enheter som ställdon och sensorer som böjs när ett elektriskt fält appliceras. Med sina överlägsna piezoelektriska egenskaper, materialet kan också användas i mekaniska anordningar som skördar energi när de böjs, vilket kommer att vara användbart för att ladda bärbara enheter.
"Vi tror att vi kan förbättra denna prestanda avsevärt i framtiden genom att ytterligare optimera den kemiska sammansättningen, och vi tror att denna typ av material kan spela en nyckelroll i utvecklingen av bärbara enheter för sakernas internet (IOT), en av de viktigaste teknikerna som möjliggör den fjärde industriella revolutionen. "
Utveckla ett flexibelt ferroelektriskt material
För att utveckla ett flexibelt ferroelektriskt material, forskarna modifierade den kemiska strukturen hos en hybrid ferroelektrisk förening C 6 H 5 N (CH 3 ) 3 CdCl 3 , eller kortfattat PCCF, som potentiellt kan böja sig till hundra gånger mer än traditionell ferroelektrisk.
För att öka materialets rörelseomfång ytterligare, forskarna modifierade den kemiska sammansättningen av föreningen genom att ersätta några av dess klor (Cl) atomer med brom (Br), som har en liknande storlek som klor, att försvaga de kemiska bindningarna vid specifika punkter i strukturen. Detta gjorde materialet mer flexibelt utan att påverka dess piezoelektriska egenskaper.
Det nya materialet är lätt att tillverka, kräver endast lösningsbaserad bearbetning där kristallen bildas när vätskan förångas, till skillnad från typiska ferroelektriska kristaller som kräver användning av kraftfulla lasrar och energi för att bildas.
När ett elektriskt fält applicerades på den nya PCCF -föreningen, atomerna i den skiftade betydligt mer än atomerna i de flesta konventionella ferroelektriker, sträcker upp till 22% mycket mer än konventionella piezoelektriska material.
