Het onvermogen om intrinsiek piëzo-elektrisch gedrag in organische polymeren te veranderen, belemmert hun toepassing in flexibele, draagbare en biocompatibele apparaten, volgens onderzoekers van Penn State en North Carolina State University, maar nu kan een moleculaire benadering die piëzo-elektrische eigenschappen verbeteren.

"Morfotrope fasegrens (MPB) is een belangrijk concept dat een halve eeuw geleden is ontwikkeld in keramische materialen, " zei Qing Wang, hoogleraar materiaalkunde en techniek. "Dit concept is nog nooit eerder gerealiseerd in organische materialen."

Het concept van morfotrope fasegrens verwijst naar significante veranderingen in materiaaleigenschappen die optreden op de grens tussen kristallijne structuren, en zijn afhankelijk van de samenstelling van een materiaal.

Het piëzo-elektrisch effect is een omkeerbaar proces dat in sommige materialen voorkomt. Wanneer het materiaal fysiek wordt samengedrukt, er ontstaat een elektrische lading, en als er een elektrische stroom doorheen gaat, mechanische beweging resulteert.

De onderzoekers keken naar ferro-elektrische poly(vinylideenfluoride-co-trifluorethyleen)-P(VDF-TrFE)-copolymeren en ontdekten dat het afstemmen van de moleculen op specifieke arrangementen rond chirale, of asymmetrisch, centra leidden tot overgangen tussen geordende en ongeordende structuren en creëerden een gebied binnen het materiaal waar ferro-elektrische en relaxerende eigenschappen met elkaar concurreren. Relaxors zijn ongeorganiseerde materialen, terwijl normale ferro-elektrische materialen worden besteld. In ferro-elektrische polymeren, een MPB-achtig effect wordt geïnduceerd door de conformaties van de moleculaire keten die zijn aangepast door chemische samenstellingen.

"We hebben de vorming van MPB in organische materialen bestudeerd met behulp van een gecombineerde experiment- en theoriebenadering - eerste principes berekeningen van mogelijke configuraties, synthese van nieuwe polymeren en uitgebreide karakterisering van structuren en eigenschappen, " zei Wang.

Het simulatiewerk werd gedaan aan de North Carolina State University.

De onderzoekers gebruikten ook een breed scala aan methoden om het polymeer te onderzoeken, waaronder nucleaire magnetische resonantie, Röntgenpoederdiffractie en Fourier-getransformeerde infraroodspectroscopie kijkend naar het overgangsgebied en de grenzen.

"Gezien de flexibiliteit in moleculair ontwerp en synthese, dit werk opent een nieuwe weg voor schaalbare, hoogwaardige piëzo-elektrische polymeren, " rapporteren de onderzoekers vandaag (4 oktober) in Natuur .