Piezoelektriska material omvandlar mekanisk spänning till elektricitet, eller vice versa, och kan vara användbara i sensorer, ställdon och många andra applikationer. Men att implementera piezoelektrik i polymerer - material som består av molekylkedjor och som ofta används i plaster, läkemedel och mer - kan vara svårt, enligt Qiming Zhang, framstående professor i elektroteknik.

Zhang och ett Penn State-ledda team av tvärvetenskapliga forskare utvecklade en polymer med robust piezoelektrisk effektivitet, vilket resulterade i 60 % effektivare elproduktion än tidigare iterationer. De publicerade sina resultat idag i Science .

"Historiskt har den elektromekaniska kopplingen av polymerer varit mycket låg," sa Zhang. "Vi siktar på att förbättra detta eftersom polymerernas relativa mjukhet gör dem till utmärkta kandidater för mjuka sensorer och ställdon inom en mängd olika områden, inklusive biosensing, ekolod, konstgjorda muskler och mer."

För att skapa materialet implementerade forskarna medvetet kemiska föroreningar i polymeren. Denna process, känd som dopning, tillåter forskare att justera egenskaperna hos ett material för att generera önskvärda effekter - förutsatt att de integrerar rätt antal föroreningar. Att tillsätta för lite av ett dopämne kan förhindra att den önskade effekten initieras, medan tillsats av för mycket kan introducera oönskade egenskaper som hämmar materialets funktion.

Dopningen förvränger avståndet mellan positiva och negativa laddningar inom polymerens strukturella komponenter. Distorsionen segregerar de motsatta laddningarna, vilket gör att komponenterna kan ackumulera en extern elektrisk laddning mer effektivt. Denna ackumulering förbättrar elöverföringen i polymeren när den deformeras, sa Zhang.

För att förstärka dopningseffekten och säkerställa inriktning av molekylkedjorna sträckte forskarna ut polymeren. Denna inriktning, enligt Zhang, främjar mer av en elektromekanisk respons än från en polymer med slumpmässigt inriktade kedjor.

"Effektiviteten för polymerens elproduktion ökade avsevärt," sa Zhang. "Med den här processen uppnådde vi en effektivitet på 70 % – en enorm förbättring från 10 % tidigare."

Denna robusta elektromekaniska prestanda, som är vanligare i styva keramiska material, skulle kunna möjliggöra en mängd olika tillämpningar för den flexibla polymeren. Eftersom polymeren uppvisar motstånd mot ljudvågor som liknar vatten och mänskliga vävnader, kan den användas för användning i medicinsk bildbehandling, undervattenshydrofoner eller trycksensorer. Polymerer tenderar också att vara mer lätta och konfigurerbara än keramik, så denna polymer kan ge möjligheter att utforska förbättringar inom bildbehandling, robotteknik och mer, sa Zhang. + Utforska vidare

Elastisk polymer som är både styv och seg, löser långvariga problem