Forskare från Empa har utvecklat ett flexibelt material som genererar elektricitet vid stress. I framtiden, den kan användas som en sensor, integreras i kläder eller till och med implanteras i människokroppen, till exempel, för att driva en pacemaker.

Flexibel, organisk, tunn – egenskaper som vanligtvis inte förknippas med kraftverk eller sensorer. Men ett nytt material utvecklat av Empa-forskare är precis det:en tunn, organisk, flexibel film som genererar elektricitet om den sträcks och komprimeras. Denna gummifilm kan infogas i kontrollknappar, Kläder, robotar eller till och med människor, och övervaka aktiviteter, spela in beröringar eller generera elektricitet vid stress för att driva implanterade enheter som pacemakers, till exempel.

Att förvandla rörelse till elektricitet

Tack vare den piezoelektriska effekten, det specialdesignade gummit kan omvandla mekaniska rörelser till elektriska laddningar. Tricket bakom den genererade strömmen är den inre polariseringen som ändras när gummifilmen belastas mekaniskt.

Denna effekt används i ljudupptagningar på analoga skivspelare, till exempel:nålen styrs genom spåren i skivan på ett sådant sätt att den genererar mekaniska vibrationer. I en piezoelektrisk kristall, dessa vibrationer omvandlas till elektriska impulser, som i sin tur kan förstärkas och omvandlas till ljudvågor.

Under en lång tid, den piezoelektriska effekten var bara känd för kristaller. Eftersom dessa är tunga och solida, effekten kunde endast användas i vissa tillämpningar. Dock, Empa-forskaren Dorina Opris och hennes kollegor har nu lyckats ge elastomerer piezoelektriska egenskaper. Ändå, det nya materialet är inte lätt att tillverka. Gummit är ett kompositmaterial gjord av polära nanopartiklar och en elastomer (silikon i prototypen). För det första, Yee Song Ko, doktorand vid Empa, måste forma de två materialen innan de kopplas samman. Detta ger en tunn, elastisk film, där de polära delarna av nanopartiklarna fortfarande är slumpmässigt orienterade.

För att skapa ett piezoelektriskt material, Song Ko måste introducera en intern polarisering med hjälp av ett starkt elektriskt fält. För att uppnå detta, filmen värms upp tills glasövergångstemperaturen för nanopartiklarna har överskridits och de ändras från ett fast material, glasartat tillstånd till ett gummiartat, trögflytande en. Under dessa omständigheter, de polära delarna är orienterade av det elektriska fältet. Den uppnådda orienteringen fryses så småningom genom att kyla materialet till rumstemperatur.

Kroppsdelar som ett kraftverk

Det finns en uppsjö av potentiella tillämpningar för den nya gummifilmen. Den kan användas för att konstruera trycksensorer, till exempel. Om materialet är komprimerat, en elektrisk impuls alstras som kan tas emot och "förstås" av enheter. Detta kan användas för att utveckla en ny typ av kontrollknappar, men också en känslig hud för robotar som kan känna (tryck)beröring. Dessutom, filmen kan vara användbar i kläder för att antingen övervaka bärarens aktiviteter eller generera elektricitet från deras rörelser. "Detta material skulle förmodligen till och med kunna användas för att få energi från människokroppen, " säger Opris. "Du kan implantera den nära hjärtat för att generera elektricitet från hjärtslag, till exempel." Detta kan driva pacemakers eller andra implanterade enheter, eliminerar behovet av invasiva operationer för att byta batteri.