Ученые нашли способы повысить флексоэлектричество в эластомерах

Что общего между следующими вещами: имплантированным медицинским устройством с собственным источником питания, мягким человекоподобным роботом и тем, как мы слышим звуки разных вещей? Ответ на вопрос, почему эти две несходные технологии и биологические явления похожи, заключается в том, как материалы, из которых они состоят, могут значительно менять свой размер и форму при отправке электрического сигнала. Некоторые материалы в природе могут выступать в качестве преобразователя энергии, который деформируется при отправке электрического сигнала или вырабатывает электричество при стимуляции. Это называется пьезоэлектричеством и используется, среди прочего, в производстве датчиков и лазерной электроники. Однако эти природные материалы редки и состоят из жестких кристаллических структур, которые часто токсичны для человека. Искусственные полимеры позволяют устранить эти основные недостатки, устраняя нехватку материалов и создавая мягкие полимеры, которые могут сгибаться и растягиваться, известные как мягкие эластомеры. Раньше эти мягкие эластомеры не обладали ключевыми пьезоэлектрическими свойствами. Чтобы преодолеть этот недостаток, решение предлагают Косар Мозаффари, аспирант Инженерного колледжа Каллена при Хьюстонском университете, Прадип Шарма, доктор медицинских наук, профессор Андерсона и заведующий кафедрой машиностроения Хьюстонского университета, и Мэтью Грейсингер, LUCI. Постдокторант научно-исследовательской лаборатории ВВС.

«Эта теория устанавливает связь между электричеством и механическим движением в мягких резиновых материалах», — сказал Шарма. Хотя некоторые полимеры слабо пьезоэлектричны, ни один мягкий эластичный материал не обладает пьезоэлектрическими свойствами. Эти ученые своими усилиями пытаются показать, как можно повысить флексоэлектрические характеристики мягких материалов. «Флексоэлектричество в большинстве мягких резиновых материалов довольно слабое», — сказал Мозаффари, но, переставляя цепи в элементарных ячейках на молекулярном уровне, наша теория показывает, что эластомеры могут иметь флексоэлектричество почти в десять раз выше, чем обычно.

Преимущества этой новой теории выходят за рамки этого. В процессе исследования возникла возможность спроектировать элементарную ячейку, которая является инвариантной к растяжению или остается неизменной в случае нежелательной трансформации деформации. «Для некоторых приложений необходимо генерировать определенное количество электроэнергии независимо от деформации растяжения, в то время как для других приложений необходимо генерировать как можно больше электроэнергии, и мы разработали оба варианта», — сказал Мозаффари. «В нашем исследовании мы обнаружили метод, позволяющий сделать удлинение элементарной ячейки инвариантным. Настраиваемый характер флексоэлектрического направления может быть полезен при создании плавных роботов и плавных датчиков», — добавил он далее. Другими словами, количество электрической энергии, генерируемой различными стимулами, можно контролировать, чтобы устройства могли выполнять целевые действия. Это может снизить производительность автономных электронных устройств. В следующих нескольких шагах эта теория будет проверена в лаборатории с использованием возможных приложений. Кроме того, усилия по улучшению флексоэлектрического эффекта мягких эластомеров будут в центре внимания дальнейших исследований.