Microstructuur en macroscopische elektromechanische eigenschappen zijn nauw met elkaar verbonden in zogenaamde ferro-elektrische polymeren. Een verklaring voor de hoge temperatuurafhankelijkheid van deze koppeling is nu gevonden bij de TU Wien.

Bij bepaalde materialen elektrische en mechanische effecten zijn nauw met elkaar verbonden:bijvoorbeeld het materiaal kan van vorm veranderen wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd of, omgekeerd, er kan een elektrisch veld ontstaan ​​wanneer het materiaal wordt vervormd. Dergelijke elektromechanisch actieve materialen zijn voor veel technische toepassingen van groot belang.

Gebruikelijk, dergelijke materialen zijn speciaal, anorganische kristallen, die hard en broos zijn. Om deze reden, er worden nu zogenaamde ferro-elektrische polymeren gebruikt. Ze worden gekenmerkt door het feit dat hun polymeerketens gelijktijdig bestaan ​​in twee verschillende microstructuren:sommige gebieden zijn sterk geordend (kristallijn), terwijl zich daartussen wanordelijke (amorfe) gebieden vormen. Deze semikristallijne composieten zijn elektromechanisch actief en combineren daarom elektrische en mechanische effecten, maar tegelijkertijd zijn ze ook flexibel en zacht. Aan de TU Wenen, dergelijke materialen zijn nu in detail bestudeerd - met verrassende resultaten:boven een bepaalde temperatuur, de eigenschappen veranderen drastisch. Een onderzoeksteam van de TU Wien heeft in samenwerking met onderzoeksgroepen uit Madrid en Londen nu kunnen verklaren waarom dit gebeurt.

Van microsensoren tot slim textiel

"Als je het mechanische gedrag van een materiaal kunt beheersen met behulp van elektrische velden, je kunt het gebruiken om kleine sensoren te bouwen, bijvoorbeeld, " zegt prof. Ulrich Schmid van het Institute of Sensor and Actuator Systems aan de TU Wien. "Dit is ook interessant voor atoomkrachtmicroscopen, waar je een kleine tip in trilling brengt om een ​​oppervlak te scannen en een afbeelding te genereren."

Het toepassingsgebied van dergelijke materialen kan drastisch worden uitgebreid als het mogelijk is om dergelijke elektromechanische eigenschappen niet alleen in stijve materialen te induceren, maar maar ook in flexibele, zachte materialen. Aan de ene kant, flexibele materialen hebben een heel ander trillingsgedrag, die kunnen worden benut bij de constructie van kleine sensoren. Anderzijds, dergelijke materialen bieden ook volledig nieuwe mogelijkheden, zoals slim textiel, flexibele energieopslag of voor geïntegreerde energiewinning.

"Vaste stoffen kunnen kristallijn zijn, in dat geval zijn de atomen gerangschikt in een regelmatig rooster, of ze kunnen amorf zijn, in dat geval zijn de individuele atomen willekeurig verdeeld, " legt Jonas Hafner uit, die als onderdeel van zijn proefschrift aan dit onderzoeksproject werkt. "Het bijzondere aan het materiaal dat we hebben bestudeerd, is dat het beide tegelijk kan zijn:het vormt kristallijne gebieden, en daartussenin is het materiaal amorf."

De kristallen zijn verantwoordelijk voor de elektromechanische eigenschappen van het materiaal, de amorfe matrix houdt de kleine kristallen bij elkaar, over het algemeen een zeer zachte, flexibel materiaal.

Te veel warmte

Om dergelijke materialen verder te kunnen ontwikkelen en verbeteren, het onderzoeksteam onderzocht eerst hun fysieke basiseigenschappen. Tijdens hun onderzoeken stuitten ze op een verrassend fenomeen:de ferro-elektrische polymeren, die bestaan ​​uit een combinatie van kristallijne en amorfe gebieden, hun microscopische samenstelling veranderen bij een bepaalde temperatuur, wat verrassende effecten heeft op het macroscopische elektromechanische gedrag.

Normaal gesproken, de elektromechanische eigenschappen van een materiaal verdwijnen pas als een zeer hoge temperatuur zulke grote trillingen op atomair niveau veroorzaakt, dat de elektrische orde in het materiaal volledig verdwijnt. Deze kritische temperatuur wordt de "Curietemperatuur" genoemd. Maar in het geval van het materiaal dat nu wordt bestudeerd, dingen zijn ingewikkelder:"In ons geval, de elektromechanische eigenschappen van de kleine kristallen blijven. microscopisch, de kristallen zijn nog steeds elektroactief, maar op macroscopisch niveau, dit elektroactieve gedrag verdwijnt, ', zegt Jonas Hafner.

Verloren contact tussen de kristalkorrels

Het team kon uitleggen hoe dit effect optreedt:als de temperatuur stijgt, het aandeel amorfe gebieden van het polymeer neemt toe, en op een gegeven moment verliezen de kleine kristallen het directe contact met elkaar. Dit betekent dat er geen mechanische krachten meer kunnen worden overgedragen van de ene op de andere minuscule kristallen, omdat ze allemaal volledig zijn ingebed in een dempende amorfe matrix. Dit verandert drastisch het mechanische en elektromechanische gedrag van het materiaal.

"Alleen als we deze fundamentele effecten begrijpen, kunnen we verklaren hoe microscopische en macroscopische eigenschappen correleren in dergelijke materialen, ", zegt Ulrich Schmid. "We werken samen met talloze projectpartners die dergelijke materialen vervolgens gebruiken - in atoomkrachtmicroscopen, in sensoren, op chips. Er zijn tal van potentiële toepassingen voor deze opwindende materiële fase."