Een nieuw fundamenteel begrip van ferro-elektrisch gedrag van polymere relaxor zou kunnen leiden tot vooruitgang in flexibele elektronica, actuatoren en omvormers, energie opslag, piëzo-elektrische sensoren en elektrocalorische koeling, volgens een team van onderzoekers van Penn State en North Carolina State.

Onderzoekers hebben meer dan 50 jaar gedebatteerd over de theorie achter het mechanisme van relaxor ferro-elektriciteit, zei Qing Wang, hoogleraar materiaalkunde en techniek aan Penn State. Hoewel relaxor-ferro-elektriciteit algemeen wordt erkend, fundamenteel fascinerende en technologisch bruikbare materialen, een Natuur artikel merkte in 2006 op dat ze heterogeen waren, hopeloze ellende.

Zonder een fundamenteel begrip van het mechanisme, er is weinig vooruitgang geboekt bij het ontwerpen van nieuwe relaxor ferro-elektrische materialen. Het nieuwe begrip, die gebaseerd is op zowel experimentele als theoretische modellering, laat zien dat relaxor-ferro-elektriciteit in polymeren afkomstig is van ketenconformatiestoornissen veroorzaakt door chiraliteit. Chiraliteit is een kenmerk van veel organische materialen waarin moleculen spiegelbeelden van elkaar zijn, maar niet precies hetzelfde. Het relaxormechanisme in polymeren verschilt enorm van het mechanisme dat wordt voorgesteld voor keramiek waarvan het relaxorgedrag voortkomt uit chemische stoornissen.

"Anders dan ferro-elektriciteit, relaxors vertonen geen lange afstand grote ferro-elektrische domeinen maar ongeordende lokale polaire domeinen, " legde Wang uit. "Het onderzoek naar relaxor polymere materialen was een uitdaging vanwege de aanwezigheid van meerdere fasen zoals kristallijn, amorf en kristallijn-amorf grensvlak in polymeren."

In energieopslagcondensatoren, relaxors kunnen een veel hogere energiedichtheid leveren dan normale ferro-elektriciteit, die een hoog ferro-elektrisch verlies hebben dat in afvalwarmte verandert. In aanvulling, relaxors kunnen een grotere spanning genereren onder de aangelegde elektrische velden en hebben een veel betere efficiëntie van energieconversie dan normale ferro-elektriciteit, waardoor ze voorkeursmaterialen zijn voor actuatoren en sensoren.

Penn State heeft een lange geschiedenis van ontdekkingen in ferro-elektrische materialen. Qiming Zhang, hoogleraar elektrotechniek aan Penn State, ontdekte het eerste relaxor ferro-elektrische polymeer in 1998, toen hij een elektronenstraal gebruikte om een ​​ferro-elektrisch polymeer te bestralen en ontdekte dat het een relaxor was geworden. Zhang deed samen met Qing Wang ook baanbrekende ontdekkingen in het elektrocalorische effect met behulp van relaxorpolymeren, waardoor koeling in vaste toestand mogelijk is zonder het gebruik van schadelijke gassen en veel minder energie verbruikt dan conventionele koeling.

"Het nieuwe begrip van relaxorgedrag zou ongekende mogelijkheden voor ons openen om relaxor-ferro-elektrische polymeren te ontwerpen voor een reeks energieopslag- en conversietoepassingen, " zei Wang.

Hun werk, "Chiraliteit-geïnduceerde relaxor-eigenschappen in ferro-elektrische polymeren, " verschijnt vandaag, 29 juni in het journaal Natuurmaterialen .