محققان به تازگی موفق به ساخت یک پلیمر فروالکتریک شدند که به طور موثر انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند.
به گزارش تکناک، این ماده که پتانسیل استفاده در دستگاه های پزشکی و رباتیک را نشان می دهد، بر محدودیت های پیزوالکتریک سنتی غلبه می کند. محققان با ایجاد یک نانوکامپوزیت پلیمری عملکرد آن را بهبود بخشیدند و به طور قابل توجهی قدرت میدان محرک لازم را کاهش دادند و کاربردهای موثر آن را گسترش دادند.
کرنش مکانیکی که به معنای نحوه تغییر شکل یک ماده هنگام اعمال نیرو است، یک ویژگی مهم برای یک محرک است. محرک به معنای هر ماده ای است که با اعمال نیروی خارجی مانند انرژی الکتریکی تغییر شکل می دهد. به طور سنتی این مواد محرک سفت و سخت بودند، اما محرک های نرم مانند پلیمرهای فروالکتریک انعطاف پذیری و سازگاری محیطی بالاتری را از خود نشان می دهند.
این تحقیق پتانسیل نانوکامپوزیتهای پلیمری فروالکتریک را برای غلبه بر محدودیتهای کامپوزیتهای پلیمری پیزوالکتریک سنتی نشان میدهد و یک راه امیدوارکننده برای توسعه محرکهای نرم با عملکرد کرنش و چگالی انرژی مکانیکی افزایش یافته است. محرکهای نرم به دلیل استحکام، قدرت و انعطافپذیری همواره مورد توجه محققان روباتیک هستند.
به لطف این ماده اکنون می توان نوعی رباتیک نرم تولید کرد که از آن به عنوان ماهیچه مصنوعی نیز یاد می شود.این ماهیچه مصنوعی محققان را قادر می سازد تا ماده نرمی داشته باشند که علاوه بر فشار زیاد، بار زیادی را نیز تحمل کند و شبیه به ماهیچه انسان است.
البته قبل از اینکه این مواد بتوانند کاربرد خود را اعمال کنند، چند مانع وجود دارد که باید بر آنها غلبه کرد و راهحلهای موثر برای این موانع در مطالعه انجام شده، پیشنهاد شد. فروالکتریک ها دسته ای از مواد هستند که وقتی بار الکتریکی خارجی اعمال می شود و بارهای مثبت و منفی در مواد به قطب های مختلف می روند، قطبش الکتریکی خود به خودی را نشان می دهند. کرنش در این مواد در طول انتقال فاز که در این مورد تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی است، می تواند به طور کامل خواصی مانند شکل آن را تغییر دهد و آنها را به عنوان یک محرک، مفید کند.
یکی از کاربردهای رایج محرک فروالکتریک، چاپگر جوهرافشان است، که در آن یک شارژ الکتریکی، شکل محرک را تغییر می دهد تا نازل های ریزی که جوهر را روی کاغذ می ریزد و متن و تصویر را تشکیل می دهد، دقیقاً کنترل شود.
اگرچه بسیاری از مواد فروالکتریک سرامیک هستند، اما می توانند پلیمر نیز باشند. پلیمرها دسته ای از مواد طبیعی و مصنوعی هستند که از بسیاری از واحدهای مشابه به هم متصل شده اند. به عنوان مثال DNA یک پلیمر است، همانطور که نایلون هم یک پلیمر است. مزیت پلیمرهای فروالکتریک این است که مقدار زیادی کرنش ناشی از میدان الکتریکی مورد نیاز برای تحریک را از خود نشان می دهند. این کرنش بسیار بیشتر از آن چیزی است که توسط سایر مواد فروالکتریک مورد استفاده برای محرک ها مانند سرامیک ها تولید می شود.
این خاصیت مواد فروالکتریک به همراه سطح بالایی از انعطاف پذیری، کاهش هزینه در مقایسه با سایر مواد فروالکتریک و وزن کم، توجه زیادی را برای محققان در زمینه رو به رشد رباتیک نرم، طراحی ربات هایی با قطعات انعطاف پذیر و الکترونیک دارد.
چالش دوم این است که یک محرک پلیمری فروالکتریک معمولاً به میدان محرکه بسیار بالایی نیاز دارد، که نیرویی است که تغییری را در سیستم تحمیل میکند، مانند تغییر شکل در یک محرک. در این مورد، میدان محرکه بالا برای ایجاد تغییر شکل در پلیمر مورد نیاز برای واکنش فروالکتریک مورد نیاز برای تبدیل شدن به یک محرک ضروری است.
راه حل پیشنهادی برای بهبود عملکرد پلیمرهای فروالکتریک، توسعه نانوکامپوزیت پلیمری فروالکتریک نفوذی که نوعی برچسب میکروسکوپی متصل به پلیمر بود، می باشد. محققان با ترکیب نانوذرات در نوعی پلیمر به نام پلی وینیلیدین فلوراید، یک شبکه به هم پیوسته از قطب ها در داخل پلیمر ایجاد کردند.
این شبکه یک انتقال فاز فروالکتریک را در میدانهای الکتریکی بسیار کمتر از حد معمول القا میکند. این نتیجه از طریق یک روش الکترو حرارتی با استفاده از گرمایش ژول به دست آمد، که زمانی اتفاق می افتد که جریان الکتریکی از یک هادی عبور می کند و گرما تولید می کند. استفاده از گرمایش ژول برای القای انتقال فاز در پلیمر نانوکامپوزیت تنها به کمتر از 10 درصد از قدرت میدان الکتریکی نیاز دارد که معمولاً برای تغییر فاز فروالکتریک مورد نیاز است.
معمولاً، این کرنش و نیرو در مواد فروالکتریک با یکدیگر در یک رابطه معکوس همبستگی دارند. اکنون میتوان آنها را با هم در یک ماده ادغام کرد و رویکرد جدیدی برای هدایت آن با استفاده از گرمایش ژول ایجاد کرد.
