Een reeks holle piëzo-elektrische polymeer nanobuisjes die door A*STAR-onderzoekers zijn gekweekt, zou kunnen worden gebruikt als een extreem gevoelige akoestische sensor.

De buizen zijn gemaakt van een piëzo-elektrisch polymeer genaamd poly(vinylideenfluoride-co-trifluorethyleen), of P(VDF-TrFE) — waarop het aanbrengen van een spanning een vormverandering veroorzaakt; omgekeerd, het polymeer genereert een spanning wanneer het wordt ingedrukt of gedraaid. Piëzo-elektrische polymeren zijn aanzienlijk flexibeler dan andere piëzo-elektrische materialen, en reageren zeer goed op druk.

Het vormen van piëzo-elektrische materialen tot nanobuisjes kan hun eigenschappen verbeteren, maar flexibele polymeer nanobuisjes hebben de neiging om te aggregeren tot bundels.

Kui Yao en collega's van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, en de Nationale Universiteit van Singapore, hebben nu een methode ontwikkeld om verticale arrays van holle P(VDF-TrFE) nanobuisjes te maken, hun piëzo-elektrische mogelijkheden aanzienlijk vergroten. "Voor de eerste keer, we hebben verbeterde piëzo-elektrische prestaties aangetoond in een hoogwaardige P(VDF-TrFE) nanobuisarray, ' zegt Yao.

Het team maakte eerst een sjabloon - een dunne plaat van geanodiseerd aluminiumoxide met verticale poriën tot 4 micrometer diep en 350 nanometer breed - en voegde een coating van P(VDF-TrFE) toe. Verwarming tot 250 graden Celsius smolt het polymeer in de poriën, zijn muren bekleden. Ze herhaalden de cyclus 15 keer om een ​​polymeercoating van 60 nanometer dik te maken.

Ze bedekten de met polymeer beladen sjabloon met een dunne gouden elektrode, draaide vervolgens de structuur om en monteerde deze op een glazen ondergrond. Ze gebruikten een zuur om een ​​deel van het aluminiumoxide weg te etsen, het blootleggen van de uiteinden van de holle polymeer nanobuisjes binnenin (zie afbeelding), en bedekte ze met een andere gouden elektrode.

Röntgendiffractie en infraroodspectrometrie onthulden dat de elektrische polarisatie van het polymeer was uitgelijnd met de as van de nanobuis, waardoor de algehele polarisatie in die richting met 1,5 keer toenam. "Het dominante mechanisme voor verbeterde piëzo-elektrische prestaties is gebaseerd op deze unieke moleculaire oriëntatie en de structuur van de nanobuis, "zegt Yao.

De onderzoekers ontdekten dat een wisselspanning de spanning van de nanobuisjes bijna twee keer zo veel veranderde als een standaard P(VDF-TrFE) film. Ze veronderstelden ook dat het uitoefenen van een kleine spanning op de structuur een spanning zou kunnen produceren die vele malen groter is dan conventionele piëzo-elektrische materialen, en meer dan drie keer die van een standaard piëzo-elektrische polymeerfilm. "Dit zijn belangrijke indicatoren voor de prestaties van een piëzo-elektrisch materiaal voor elektromechanische toepassingen zoals energieoogsters, sensoren en omvormers, ", zegt Yao. "We werken nu aan de demonstratie van akoestische sensoren met behulp van de P(VDF-TrFE) nanobuisarray, met verbeterde gevoeligheid in vergelijking met conventionele piëzo-elektrische films."