Novi tip feroelektričnog polimera koji je izuzetno dobar u pretvaranju električne energije u mehaničko naprezanje obećava kao kontroler pokreta ili „aktivator“ visokih performansi sa velikim potencijalom za primenu u medicinskim uređajima, naprednoj robotici i sistemima za precizno pozicioniranje, prema tim međunarodnih istraživača na čelu sa Penn State.
Mehaničko naprezanje, kako materijal menja oblik kada se primeni sila, važno je svojstvo za aktuator, što je svaki materijal koji će se promeniti ili deformisati kada se primeni spoljna sila kao što je električna energija. Tradicionalno, ovi materijali za aktuatore su bili kruti, ali meki aktuatori kao što su feroelektrični polimeri pokazuju veću fleksibilnost i prilagodljivost okolini.
Istraživanje je pokazalo potencijal feroelektričnih polimernih nanokompozita da prevaziđu ograničenja tradicionalnih piezoelektričnih polimernih kompozita, nudeći obećavajući put za razvoj mekih aktuatora sa poboljšanim performansama deformacije i gustinom mehaničke energije. Meki aktuatori su posebno zanimljivi istraživačima robotike zbog svoje snage, snage i fleksibilnosti.
„Potencijalno sada možemo da imamo vrstu meke robotike koju nazivamo veštačkim mišićima“, rekao je Ćing Vang, profesor nauke o materijalima i inženjeringu u državi Penn i kokorespondentni autor studije nedavno objavljene u Nature Materials. „Ovo bi nam omogućilo da imamo meku materiju koja može da nosi i veliko opterećenje pored velikog naprezanja. Tako da bi taj materijal onda više ličio na ljudski mišić, onaj koji je blizak ljudskim mišićima.“
Međutim, postoji nekoliko prepreka koje treba prevazići pre nego što ovi materijali ispune svoje obećanje, a potencijalna rešenja za ove prepreke su predložena u studiji. Feroelektrici su klasa materijala koji pokazuju spontanu električnu polarizaciju kada se primeni spoljašnji električni naboj i pozitivna i negativna naelektrisanja u materijalima idu ka različitim polovima. Naprezanje ovih materijala tokom faznog prelaza, u ovom slučaju pretvaranje električne energije u mehaničku energiju, može u potpunosti promeniti svojstva kao što je njegov oblik, čineći ih korisnim kao aktuatorima.
Uobičajena primena feroelektričnog aktuatora je inkjet štampač, gde električni naboj menja oblik aktuatora kako bi precizno kontrolisao sićušne mlaznice koje talože mastilo na papir da bi formirale tekst i slike.
Dok su mnogi feroelektrični materijali keramika, oni takođe mogu biti polimeri, klasa prirodnih i sintetičkih materijala napravljenih od mnogih sličnih jedinica povezanih zajedno. Na primer, DNK je polimer, kao i najlon. Prednost feroelektričnih polimera je što pokazuju ogromnu količinu naprezanja izazvanog električnim poljem potrebno za aktiviranje. Ovaj napon je mnogo veći od onoga što stvaraju drugi feroelektrični materijali koji se koriste za aktuatore, kao što je keramika.
Ovo svojstvo feroelektričnih materijala, zajedno sa visokim nivoom fleksibilnosti, smanjenom cenom u poređenju sa drugim feroelektričnim materijalima i malom težinom, izaziva veliko interesovanje za istraživače u rastućoj oblasti meke robotike, dizajna robota sa fleksibilnim delovima i elektronike.
„U ovoj studiji smo predložili rešenja za dva glavna izazova u polju aktiviranja mekog materijala“, rekao je Vang. „Jedan je kako poboljšati snagu mekih materijala. Znamo da meki materijali za aktiviranje koji su polimeri imaju najveće naprezanje, ali generišu mnogo manje sile u poređenju sa piezoelektričnom keramikom.“
Drugi izazov je da aktuatoru od feroelektričnog polimera obično treba veoma visoko pogonsko polje, što je sila koja nameće promenu u sistemu, kao što je promena oblika u aktuatoru. U ovom slučaju je potrebno visoko pogonsko polje da bi se stvorila promena oblika u polimeru potrebna za feroelektričnu reakciju koja je potrebna da postane aktuator.
Rešenje predloženo za poboljšanje performansi feroelektričnih polimera bilo je razvoj perkolativnog feroelektričnog polimera nanokompozita — neke vrste mikroskopske nalepnice pričvršćene za polimer. Ugrađivanjem nanočestica u vrstu polimera, poliviniliden fluorida, istraživači su stvorili međusobno povezanu mrežu polova unutar polimera.
Ova mreža je omogućila da se indukuje feroelektrični fazni prelaz na mnogo nižim električnim poljima nego što bi inače bilo potrebno. Ovo je postignuto elektro-termičkom metodom korišćenjem džulove grejanja, koje se dešava kada električna struja koja prolazi kroz provodnik proizvodi toplotu. Korišćenje džulove zagrevanja za indukovanje faznog prelaza u nanokompozitnom polimeru rezultiralo je samo zahtevanjem manje od 10% jačine električnog polja koje je tipično potrebno za promenu feroelektrične faze.
„Uobičajeno, ovaj napon i sila u feroelektričnim materijalima su međusobno povezani, u obrnutom odnosu“, rekao je Vang. „Sada možemo da ih integrišemo u jedan materijal i razvili smo novi pristup da ga pokrećemo pomoću džulove grejanja. Pošto će pogonsko polje biti mnogo niže, manje od 10%, ovo je razlog zašto se ovaj novi materijal može koristiti za mnoge aplikacije koje zahtevaju nisko polje vožnje da bi bile efikasne, kao što su medicinski uređaji, optički uređaji i meka robotika.“
