独自の電源を備えた埋め込み型医療機器、グニュグニュした人間のようなロボット、そして私たちがさまざまなものの音をどのように聞くか、これらの共通点は何でしょうか。これら2つの異なる技術と生物学的現象が似ている理由の答えは、電気信号が送信されると、それらを構成する材料のサイズと形状が大幅に変化する点にあります。自然界の一部の材料は、電気信号が送信されると変形したり、刺激されると電気を供給したりするエネルギー変換器として機能することができます。これは圧電性と呼ばれ、センサーやレーザー電子機器の製造などに役立ちます。ただし、これらの天然材料は希少であり、多くの場合、人体に有毒な硬い結晶構造で構成されています。人工ポリマーは、材料不足を解消し、ソフトエラストマーと呼ばれる曲げたり伸ばしたりできる柔らかいポリマーを作成することにより、これらの大きな欠点を軽減する手順を提供します。これまで、これらの柔らかいエラストマーには重要な圧電特性が欠けていました。この欠点を克服するために、ヒューストン大学カレン工学部の大学院生 Kosar Mozaffari 氏、ヒューストン大学 MD アンダーソン教授兼機械工学部長 Pradeep Sharma 氏、および空軍研究所 LUCI ポストドクター研究員 Matthew Grasinger 氏によって解決策が提案されています。
「この理論は、柔らかいゴム状材料における電気と機械的運動を結び付けます」とシャルマ氏は言う。一部のポリマーは弱い圧電性を持つが、圧電特性を持つ柔らかいゴム状材料はない。これらの科学者は、その努力を通じて、柔らかい材料におけるフレキソエレクトリック性能をどのように高めることができるかを示そうとしている。「ほとんどの柔らかいゴム状材料におけるフレキソエレクトリックは非常に弱いです」とモザファリ氏は言う。しかし、分子レベルで単位セル内の鎖を再配置することにより、私たちの理論は、エラストマーが従来の量のほぼ10倍のフレキソエレクトリックを持つことができることを示しています。」
この新しい理論の利点はそれだけではありません。研究の過程で、伸張不変のユニットセルを設計する能力、または望ましくないひずみ変形が発生した場合でも変化しないユニットセルを設計する能力が生まれました。「一部のアプリケーションでは、伸張変形に関係なく特定の量の電気を生成する必要がありますが、他のアプリケーションでは、可能な限り多くの電気を生成する必要があり、私たちはその両方を考慮して設計しました」とモザファリは述べています。「私たちの研究では、ユニットセルの伸張を不変にする方法を発見しました。フレキソエレクトリック方向の調整可能な性質は、滑らかなロボットや滑らかなセンサーを作成するのに役立ちます」と彼はさらに付け加えました。言い換えれば、さまざまな刺激によって生成される電気エネルギーの量を制御して、デバイスがターゲットアクションを実行できるようにすることができます。これにより、自給自足型電子デバイスの性能が低下する可能性があります。次の数ステップでは、この理論は、可能性のあるアプリケーションを使用して実験室でテストされます。さらに、ソフトエラストマーのフレキソエレクトリック効果を向上させる取り組みが、さらなる調査の焦点になります。
