Сегнетоэлектрический полимер становится эластичным

Хотя полимеры обычно гибкие, сегнетоэлектрики на основе полимеров имеют тенденцию быть жесткими. Однако добавление небольшого количества сшивающего материала может изменить ситуацию, и исследователи из Китайского института технологии материалов и инженерии Нинбо (NIMTE) говорят, что их новые «эластичные сегнетоэлектрики» достаточно устойчивы и гибки для использования в носимой электронике и имплантируемых медицинских устройствах.

Сегнетоэлектричество — это способность материала изменять свои электрические свойства в ответ на приложенное электрическое поле. Он был обнаружен чуть более века назад в некоторых природных кристаллах и сейчас используется в широком спектре технологий, включая хранение цифровой информации, зондирование, оптоэлектронику и нейроморфные вычисления.

Обычные сегнетоэлектрики могут быть изготовлены как из керамики, так и из полимеров, но даже сегнетоэлектрики на полимерной основе не очень эластичны. Это связано с тем, что они содержат твердые кристаллические области.

Исследователи во главе с Ран-Вей Ли теперь решили эту проблему, добавив к сегнетоэлектрическому полимеру поливинилиденфторид-трифторэтилен сшивающее химическое вещество — мягкий длинноцепочечный полиэтиленоксид.

«Сшивание — это общий способ придать устойчивость пластиковым полимерам, в котором диапазон плотности сшивки составляет 1–10% (то есть от одной до десяти повторяющихся единиц, сшитых на каждые сто повторяющихся единиц в полимерных цепях)», — объясняет член исследовательской группы Бен -Лин Ху.

Однако на верхнем конце этого диапазона, добавляет Ху, кристалличность смеси резко снижается, ослабляя сегнетоэлектрический отклик материала. Поэтому плотность сшивки, необходимая для изготовления эластичных сегнетоэлектриков, намного ниже, что заставляет исследователей называть это «незначительной сшивкой».

Когда исследователи NIMTE ограничили плотность сшивающего агента всего лишь 1-2%, они обнаружили, что кристаллическая структура бета-фазы равномерно диспергирована в сетке сшитого полимера. По словам исследователей, эта новая сшитая полимерная сеть может равномерно распределять и выдерживать внешние силы, смягчая повреждение кристаллических областей и создавая новый сегнетоэлектрический материал, который сочетает в себе эластичность с относительно высокой кристалличностью. Действительно, сшитая пленка сохраняет сегнетоэлектричество даже при деформации 70% благодаря своей повышенной эластичности.

Более тонкие антисегнетоэлектрики становятся сегнетоэлектриками.

По словам Ху, новый эластичный сегнетоэлектрик может быть использован в носимой/имплантируемой электронике, такой как датчики и умное здравоохранение, а также в хранении информации и передаче энергии. Упругие сегнетоэлектрики также обладают некоторыми экзотическими свойствами, которые могут быть полезны для таких структур, как эластомеры с гигантской (>1000) диэлектрической проницаемостью, спиновые клапаны с большим эффектом магнитоэлектрической связи и диэлектрические конденсаторы, которые имеют плотность энергии наравне с литий-ионными батареями. но время зарядки и разрядки составляет всего лишь микросекунды.

Исследователи говорят, что теперь они планируют оптимизировать свойства своих упругих сегнетоэлектриков и сосредоточатся в основном на материалах с высокими диэлектрическими и высокими пьезоэлектрическими константами. «Они могут быть использованы для хранения и преобразования энергии, а также для восприятия и запоминания информации», — рассказал Ху изданию Physics World.

Они подробно описывают свою нынешнюю работу в журнале Science.