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Leistung ferroelektrischer Polymere, angetrieben durch Joulesche Erwärmung. Bildnachweis: Qing Wang
Forscher der Penn State University haben ein neues ferroelektrisches Polymer entwickelt, das elektrische Energie effizient in mechanische Spannung umwandelt. Dieses Material zeigt Potenzial für den Einsatz in medizinischen Geräten und der Robotik und überwindet die herkömmlichen piezoelektrischen Einschränkungen. Forscher verbesserten die Leistung durch die Schaffung eines Polymer-Nanokomposits, wodurch die erforderliche Antriebsfeldstärke erheblich reduziert und die potenziellen Anwendungen erweitert wurden.
Eine neue Art von ferroelektrischem Polymer, das elektrische Energie außergewöhnlich gut in mechanische Spannung umwandelt, verspricht laut a einen leistungsstarken Bewegungscontroller oder „Aktuator“ mit großem Potenzial für Anwendungen in medizinischen Geräten, fortschrittlicher Robotik und Präzisionspositionierungssystemen Team internationaler Forscher unter der Leitung von Penn State.
Mechanische Spannung, also die Art und Weise, wie ein Material seine Form ändert, wenn Kraft ausgeübt wird, ist eine wichtige Eigenschaft für einen Aktuator, d. Traditionell waren diese Aktormaterialien starr, aber weiche Aktoren wie ferroelektrische Polymere weisen eine höhere Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an die Umwelt auf.
Die Forschung zeigte das Potenzial von ferroelektrischen Polymer-Nanokompositen, die Einschränkungen traditioneller piezoelektrischer Polymer-Komposite zu überwinden, und bietet einen vielversprechenden Weg für die Entwicklung weicher Aktuatoren mit verbesserter Dehnungsleistung und mechanischer Energiedichte. Weiche Aktuatoren sind aufgrund ihrer Stärke, Kraft und Flexibilität besonders für Robotikforscher interessant.
„Möglicherweise können wir jetzt eine Art weiche Robotik haben, die wir als künstliche Muskeln bezeichnen“, sagte Qing Wang, Professor für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen an der Penn State University und Mitautor der kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Naturmaterialien. „Dies würde es uns ermöglichen, über weiche Materie zu verfügen, die neben einer großen Belastung auch eine hohe Belastung tragen kann. Dieses Material wäre dann eher eine Nachahmung des menschlichen Muskels, etwas, das dem menschlichen Muskel nahe kommt.“
Allerdings müssen einige Hindernisse überwunden werden, bevor diese Materialien ihr Versprechen halten können. In der Studie wurden mögliche Lösungen für diese Hindernisse vorgeschlagen. Ferroelektrika sind eine Klasse von Materialien, die eine spontane elektrische Polarisation zeigen, wenn eine externe elektrische Ladung angelegt wird und positive und negative Ladungen in den Materialien in unterschiedliche Pole wandern. Spannungen in diesen Materialien während des Phasenübergangs, in diesem Fall der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie, können Eigenschaften wie ihre Form vollständig verändern und sie als Aktoren nützlich machen.
„Möglicherweise können wir jetzt eine Art weiche Robotik haben, die wir als künstliche Muskeln bezeichnen.“
— Qing Wang, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen
Eine häufige Anwendung eines ferroelektrischen Aktuators ist ein Tintenstrahldrucker, bei dem elektrische Ladung die Form des Aktuators verändert, um die winzigen Düsen präzise zu steuern, die Tinte auf das Papier auftragen, um Text und Bilder zu erzeugen.
Während viele ferroelektrische Materialien Keramiken sind, können sie auch Polymere sein, eine Klasse natürlicher und synthetischer Materialien, die aus vielen ähnlichen, miteinander verbundenen Einheiten bestehen. Zum Beispiel,[{” attribute=””>DNA is a polymer, as is nylon. An advantage of ferroelectric polymers is they exhibit a tremendous amount of the electric-field-induced strain needed for actuation. This strain is much higher than what is generated by other ferroelectric materials used for actuators, such as ceramics.
This property of ferroelectric materials, along with a high level of flexibility, reduced cost compared to other ferroelectric materials, and low weight, holds great interest for researchers in the growing field of soft robotics, the design of robots with flexible parts and electronics.
“In this study, we proposed solutions to two major challenges in the soft material actuation field,” said Wang. “One is how to improve the force of soft materials. We know soft actuation materials that are polymers have the largest strain, but they generate much less force compared to piezoelectric ceramics.”
The second challenge is that a ferroelectric polymer actuator typically needs a very high driving field, which is a force that imposes a change in the system, such as the shape change in an actuator. In this case, the high driving field is necessary to generate the shape change in the polymer required for the ferroelectric reaction needed to become an actuator.
The solution proposed to improve the performance of ferroelectric polymers was developing a percolative ferroelectric polymer nanocomposite — a kind of microscopic sticker attached to the polymer. By incorporating nanoparticles into a type of polymer, polyvinylidene fluoride, the researchers created an interconnected network of poles within the polymer.
“…this new material can be used for many applications that require a low driving field to be effective, such as medical devices, optical devices and soft robotics.”
— Qing Wang, professor of materials science and engineering
This network enabled a ferroelectric phase transition to be induced at much lower electric fields than would normally be required. This was achieved via an electro-thermal method using Joule heating, which occurs when electric current passing through a conductor produces heat. Using the Joule heating to induce the phase transition in the nanocomposite polymer resulted in only requiring less than 10% of the strength of an electric field typically needed for ferroelectric phase change.
“Typically, this strain and force in ferroelectric materials are correlated with each other, in an inverse relationship,” Wang said. “Now we can integrate them together into one material, and we developed a new approach to drive it using the Joule heating. Since the driving field is going to be much lower, less than 10%, this is why this new material can be used for many applications that require a low driving field to be effective, such as medical devices, optical devices, and soft robotics.”
Reference: “Electro-thermal actuation in percolative ferroelectric polymer nanocomposites” by Yang Liu, Yao Zhou, Hancheng Qin, Tiannan Yang, Xin Chen, Li Li, Zhubing Han, Ke Wang, Bing Zhang, Wenchang Lu, Long-Qing Chen, J. Bernholc and Qing Wang, 25 May 2023, Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-023-01564-7
Along with Wang, other researchers in the study include from Penn State Yao Zhou, postdoctoral scholar in materials science and engineering; Tiannan Yang, assistant research professor with the Materials Research Institute; Xin Chen, postdoctoral researcher in materials science and engineering; Li Li, research assistant in materials science and engineering; Zhubing Han, graduate research assistant in materials science and engineering; Ke Wang, associate research professor with the Materials Research Institute; and Long-Qing Chen, Hamer Professor of Materials Science and Engineering. From North Carolina State University, other researchers in the study include Hancheng Qin, graduate research assistant in physics; Bing Zhang, graduate student in physics; Wenchang Lu, research professor in physics; and Jerry Bernholc, Drexel Professor in Physics. From Huazhong University of Science and Technology in Wuhan, China, other researchers in the study include co-corresponding author Yang Liu, a former postdoctoral scholar in materials science and engineering at Penn State, now a professor of materials science and engineering.
The study was supported in part by the United States Department of Energy.
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