Oförmågan att ändra inneboende piezoelektriskt beteende i organiska polymerer hämmar deras tillämpning i flexibel, bärbara och biokompatibla enheter, enligt forskare vid Penn State och North Carolina State University, men nu kan ett molekylärt tillvägagångssätt förbättra de piezoelektriska egenskaperna.

"Morfotropisk fasgräns (MPB) är ett viktigt koncept som utvecklats för ett halvt sekel sedan i keramiska material, "sa Qing Wang, professor i materialvetenskap och teknik. "Detta koncept har aldrig tidigare förverkligats i organiska material."

Begreppet morfotropisk fasgräns avser betydande förändringar i materialegenskaper som uppstår vid gränsen mellan kristallina strukturer, och är beroende av ett materials sammansättning.

Den piezoelektriska effekten är en reversibel process som förekommer i vissa material. När materialet komprimeras fysiskt, en elektrisk laddning produceras, och när en elektrisk ström passerar genom den, resultat av mekaniska rörelser.

Forskarna tittade på ferroelektriska poly (vinylidenfluorid-co-trifluoretylen) —P (VDF-TrFE) —kopolymerer och fann att skräddarsy molekylerna till specifika arrangemang kring kirala, eller asymmetrisk, centra ledde till övergångar mellan ordnade och störda strukturer och skapade en region inom materialet där ferroelektriska och relaxoregenskaper konkurrerar. Relaxorer är oorganiserade material, medan vanliga ferroelektriska material beställs. I ferroelektriska polymerer, en MPB-liknande effekt induceras av molekylkedjans konformationer som är skräddarsydda av kemiska kompositioner.

"Vi studerade MPB -bildning i organiska material med hjälp av ett kombinerat experiment och teorimetod - första principberäkningar av möjliga konfigurationer, syntes av nya polymerer och omfattande karakterisering av strukturer och egenskaper, sa Wang.

Simuleringsarbetet gjordes vid North Carolina State University.

Forskarna använde också en mängd olika metoder för att undersöka polymeren inklusive kärnmagnetisk resonans, Röntgenpulverdiffraktion och Fourier-transformerad infraröd spektroskopi tittar på övergångsområdet och gränserna.

"Med tanke på flexibilitet i molekylär design och syntes, detta arbete öppnar en ny väg för skalbara högpresterande piezoelektriska polymerer, forskarna rapporterar idag (4 oktober) i Natur .