Een team van onderzoekers onder leiding van de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) heeft een nieuw materiaal ontwikkeld, dat wanneer er elektriciteit op wordt toegepast, kan veertig keer meer buigen en buigen dan zijn concurrenten, de weg vrijmaken voor betere micromachines.

Omgekeerd, wanneer het gebogen is, het genereert zeer effectief elektriciteit en zou kunnen worden gebruikt voor een betere 'energieoogst' - mogelijk opladen van batterijen in gadgets alleen door alledaagse bewegingen.

Het nieuwe materiaal is zowel elektrostrictief als piëzo-elektrisch. Zijn elektrostrictieve eigenschappen zorgen ervoor dat het van vorm kan veranderen wanneer er een elektrische stroom wordt aangelegd, terwijl piëzo-elektrisch betekent dat het materiaal druk kan omzetten in elektrische ladingen.

Wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd, de atomen waaruit elektrostrictieve materialen bestaan, verschuiven, waardoor het materiaal vervormt en buigt. Wanneer piëzo-elektriciteit wordt gecomprimeerd, de druk wordt omgezet in elektrische ladingen die zich ophopen in het materiaal.

De wetenschappers ontdekten dat wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd, het nieuwe hybride materiaal kan tot 22% worden gespannen, de hoogste spanning die tot nu toe is gerapporteerd in een piëzo-elektrisch materiaal. Dit overtreft ver de conventionele piëzo-elektrische materialen die slechts tot 0,5% vervormen als er stroom doorheen gaat. Het nieuwe materiaal is ook energiezuiniger dan andere piëzo-elektrische en elektrostrictieve materialen.

Piëzo-elektrische materialen worden vaak gebruikt in gitaren, luidsprekers, sensoren en elektromotoren. Bijvoorbeeld, een piëzo-elektrische pick-up is een apparaat dat in een elektrische gitaar wordt gebruikt om de trillingen van de snaren om te zetten in een elektrisch signaal, die vervolgens wordt verwerkt voor muziekopname of om te worden versterkt via luidsprekers.

Ferro-elektrische kristallen werden voor het eerst ontdekt in 1920 en worden al meer dan 70 jaar gebruikt om piëzo-elektrische materialen te maken. omdat ze gemakkelijk in elektrische apparaten kunnen worden geïntegreerd.

Echter, ze zijn broos en onbuigzaam, buigen slechts 0,5%, die hun toepassing in elektronische apparaten zoals actuatoren (onderdelen die een elektrisch stuursignaal omzetten in mechanische beweging, bijvoorbeeld, een klep die opent en sluit).

Sommige ferro-elektrische materialen bevatten ook lood, die giftig is, en de aanwezigheid ervan in piëzo-elektrische apparaten is een van de redenen waarom elektronisch afval moeilijk te recyclen is. Traditionele ferro-elektriciteit zoals perovskietoxiden zijn ook ongeschikt voor flexibele elektrische apparaten die in contact komen met de huid, zoals draagbare biomedische apparaten die de hartslag volgen.

Vorige maand gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Materials, het nieuwe materiaal is gemaakt bij NTU door professor Fan Hong Jin van de School of Physical &Mathematical Sciences en zijn team, inclusief zijn Ph.D. student Mr Hu Yuzhong, de eerste auteur van dit artikel. Ook deel uit van het team is professor Junling Wang van de Southern University of Science and Technology, China, een voormalig NTU-professor aan de School of Materials Science and Engineering.

Prof Fan zei, "Omdat ze meer dan 40 keer flexibeler zijn dan vergelijkbare elektrostrictieve materialen, het nieuwe ferro-elektrische materiaal kan worden gebruikt in zeer efficiënte apparaten zoals actuatoren en sensoren die buigen wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd. Met zijn superieure piëzo-elektrische eigenschappen, het materiaal kan ook worden gebruikt in mechanische apparaten die energie oogsten wanneer ze worden gebogen, die handig zal zijn om draagbare apparaten op te laden.

"We denken dat we deze prestatie in de toekomst aanzienlijk kunnen verbeteren door de chemische samenstelling verder te optimaliseren, en we geloven dat dit soort materiaal een sleutelrol kan spelen bij de ontwikkeling van draagbare apparaten voor het internet der dingen (IOT), een van de belangrijkste technologieën die de 4e industriële revolutie mogelijk maken."

Een flexibel ferro-elektrisch materiaal ontwikkelen

Om een ​​flexibel ferro-elektrisch materiaal te ontwikkelen, de onderzoekers wijzigden de chemische structuur van een hybride ferro-elektrische verbinding C ₆ H ₅ N(CH ₃ ) ₃ CdCl ₃ , of PCCF in het kort, die mogelijk tot honderd keer meer kan buigen dan traditionele ferro-elektriciteit.

Om het bewegingsbereik van het materiaal verder te vergroten, de wetenschappers wijzigden de chemische samenstelling van de verbinding door broom (Br) te vervangen door enkele van zijn chloor (Cl) -atomen, die een vergelijkbare grootte heeft als chloor, om de chemische bindingen op specifieke punten in de structuur te verzwakken. Dit maakte het materiaal flexibeler zonder de piëzo-elektrische eigenschappen aan te tasten.

Het nieuwe materiaal is eenvoudig te vervaardigen, waarbij alleen op oplossingen gebaseerde verwerking nodig is waarbij het kristal zich vormt als de vloeistof verdampt, in tegenstelling tot typische ferro-elektrische kristallen die het gebruik van krachtige lasers en energie vereisen om te vormen.

Toen een elektrisch veld werd aangelegd op de nieuwe PCCF-verbinding, de atomen daarin verschoven aanzienlijk meer dan de atomen in de meeste conventionele ferro-elektriciteit, belasten tot 22% veel meer dan conventionele piëzo-elektrische materialen.