Mikrostruktur och makroskopiska elektromekaniska egenskaper är nära kopplade i så kallade ferroelektriska polymerer. En förklaring till kopplingens höga temperaturberoende har nu hittats vid TU Wien.

I vissa material, elektriska och mekaniska effekter är nära kopplade:till exempel materialet kan ändra form när ett elektriskt fält appliceras eller, omvänt, ett elektriskt fält kan skapas när materialet deformeras. Sådana elektromekaniskt aktiva material är mycket viktiga för många tekniska tillämpningar.

Vanligtvis, sådana material är speciella, oorganiska kristaller, som är hårda och spröda. Av denna anledning, så kallade ferroelektriska polymerer används nu. De kännetecknas av det faktum att deras polymerkedjor existerar samtidigt i två olika mikrostrukturer:vissa områden är starkt ordnade (kristallina), medan störda (amorfa) områden bildas däremellan. Dessa halvkristallina kompositer är elektromekaniskt aktiva och kombinerar därför elektriska och mekaniska effekter, men samtidigt är de också flexibla och mjuka. På TU Wien, sådana material har nu studerats i detalj - med överraskande resultat:över en viss temperatur, fastigheterna förändras dramatiskt. Ett forskargrupp från TU Wien i samarbete med forskargrupper från Madrid och London har nu kunnat förklara varför detta händer.

Från mikrosensorer till smarta textilier

"Om du kan styra ett materials mekaniska beteende med hjälp av elektriska fält, du kan använda den för att bygga små sensorer, till exempel, "säger professor Ulrich Schmid från Institute of Sensor and Actuator Systems vid TU Wien." Detta är också intressant för atomkraftsmikroskop, där du ställer in en liten spets i vibrationer för att skanna en yta och generera en bild. "

Användningsområdet för sådana material kan utökas dramatiskt om det är möjligt att inducera sådana elektromekaniska egenskaper inte bara i styva material, men också flexibelt, mjuka material. Å ena sidan, flexibla material har ett helt annat vibrationsbeteende, som kan utnyttjas i konstruktionen av små sensorer. Å andra sidan, sådana material öppnar också upp helt nya möjligheter - som smarta textilier, flexibel energilagring eller för integrerad energihämtning.

"Fasta ämnen kan vara kristallina, i vilket fall atomerna är ordnade i ett vanligt gitter, eller de kan vara amorfa, i så fall är de enskilda atomerna slumpmässigt fördelade, "förklarar Jonas Hafner, som arbetar med detta forskningsprojekt som en del av sin avhandling. "Det speciella med materialet vi studerade är att det kan vara båda samtidigt:Det bildar kristallina områden, och emellan är materialet amorft. "

Kristallerna är ansvariga för materialets elektromekaniska egenskaper, den amorfa matrisen håller ihop de små kristallerna, generellt skapar en mycket mjuk, flexibelt material.

För mycket värme

För att kunna vidareutveckla och förbättra sådana material, forskargruppen undersökte först deras grundläggande fysiska egenskaper. Under deras undersökningar, de stötte på ett överraskande fenomen:de ferroelektriska polymererna, som består av en kombination av kristallina och amorfa områden, ändra sin mikroskopiska sammansättning vid en viss temperatur - vilket har överraskande effekter på det makroskopiska elektromekaniska beteendet.

I vanliga fall, materialets elektromekaniska egenskaper försvinner bara när en mycket hög temperatur orsakar så stora svängningar på atomnivå, att den elektriska ordningen i materialet försvinner helt. Denna kritiska temperatur kallas "Curie -temperaturen". Men när det gäller materialet som nu studeras, saker är mer komplicerade:"I vårt fall, de små kristallernas elektromekaniska egenskaper kvarstår. Mikroskopiskt, kristallerna är fortfarande elektroaktiva, men på makroskopisk nivå, detta elektroaktiva beteende försvinner, säger Jonas Hafner.

Förlorad kontakt mellan kristallkornen

Teamet kunde förklara hur denna effekt uppstår:När temperaturen stiger, andelen amorfa ytor av polymeren ökar, och vid en viss tidpunkt förlorar de små kristallerna direkt kontakt mellan varandra. Detta innebär att mekaniska krafter inte längre kan överföras från en av de små kristallerna till nästa, eftersom de alla är helt inbäddade i en dämpande amorf matris. Detta förändrar materialets mekaniska och elektromekaniska beteende dramatiskt.

"Endast om vi förstår dessa grundläggande effekter kan vi förklara hur mikroskopiska och makroskopiska egenskaper korrelerar i sådana material, "säger Ulrich Schmid." Vi arbetar med många projektpartners som sedan använder sådana material - i atomkraftsmikroskop, i sensorer, i chips. Det finns många möjliga tillämpningar för denna spännande materialfas. "