06/07/2023
Door Ad Spijkers
De mechanische kracht van ferro-elektrische polymeren wordt opgewekt door elektrische verwarming.
Een team onderzoekers onder leiding van de Pennsylvania State University in University Park (zo'n 350 km noordelijk van Washington DC) heeft een nieuw type ferro-elektrisch polymeer ontwikkeld. Het materiaal kan elektrische energie omzetten in mechanische belasting en is veelbelovend als actuator. De ontwikkelaars voorzien een groot potentieel voor toepassingen in medische apparaten, geavanceerde robotica en nauwkeurige positioneersystemen.
Spanning en rek
Elk materiaal zal veranderen of vervormen wanneer er een externe kracht (zoals elektrische energie) wordt uitgeoefend. Traditioneel zijn actuatormaterialen stijf, maar zachte actuatoren zoals ferro-elektrische polymeren vertonen een grotere flexibiliteit en aanpassingsvermogen aan de omgeving. Het onderzoek toonde het potentieel aan van ferro-elektrische polymeer nanocomposieten om de beperkingen van traditionele piëzo-elektrische polymeercomposieten te overwinnen. Dit lijkt een veelbelovende weg voor de ontwikkeling van zachte actuatoren met verbeterde rek en mechanische energiedichtheid.
Mogelijk kunnen de onderzoekers nu een soort zachte robotica ontwikkelen die we kunstmatige spieren noemen. Dit zou ons in staat stellen om zachte materie te hebben die behalve een grote belasting ook een hoge rek aan kan. Dat materiaal zou een nabootsing zijn van menselijke spieren. Er zijn echter een paar obstakels die moeten worden overwonnen voordat deze materialen hun belofte kunnen waarmaken. In het onderzoek werden mogelijke oplossingen voor deze obstakels voorgesteld.
Eigenschappen
Ferro-elektrische materialen vertonen een spontane elektrische polarisatie wanneer een externe elektrische lading wordt toegepast en positieve en negatieve ladingen in de materialen naar verschillende polen gaan. Spanning in deze materialen tijdens de faseovergang, in dit geval de omzetting van elektrische energie in mechanische energie, kan eigenschappen zoals de vorm ervan volledig veranderen, waardoor ze bruikbaar worden als actuatoren.
Een veel voorkomende toepassing van een ferro-elektrische actuator is een inkjetprinter. Een elektrische lading verandert de vorm van de actuator om de kleine spuitmondjes nauwkeurig te regelen die inkt op het papier afzetten om tekst en afbeeldingen te vormen.
Veel ferro-elektrische materialen zijn een keramiek, maar het kunnen ook polymeren zijn. DNA en polyamides zijn daarvan voorbeelden. Een voordeel van ferro-elektrische polymeren is dat ze een grote hoeveelheid door elektrische velden geïnduceerde spanning nodig hebben voor activering. Deze spanning is veel hoger dan die wordt gegenereerd door andere ferro-elektrische materialen die worden gebruikt voor actuatoren, zoals keramiek.
Polymere ferro-elektrische materialen hebben een hoge mate van flexibiliteit, lagere kosten in vergelijking met andere ferro-elektrische materialen en een laag gewicht. Ze genieten dan ook grote belangstelling bij onderzoekers van zachte robotica.
Netwerk
In hun studie hebben de onderzoekers oplossingen voorgesteld voor twee grote uitdagingen op het gebied van activering van zacht materiaal. Een daarvan is hoe de kracht van zachte materialen kan worden verbeterd. Zachte aandrijfmaterialen van polymeren hebben de grootste rek, maar ze genereren veel minder kracht in vergelijking met piëzo-elektrisch keramiek. De tweede uitdaging is dat een ferro-elektrische polymeeractuator doorgaans een hoge kracht nodig heeft voor vormverandering.
Om de prestaties van ferro-elektrische polymeren te verbeteren, werd een nanocomposiet van percolatief ferro-elektrisch polymeer ontwikkeld. Dit is een soort microscopisch kleine sticker die op het polymeer is bevestigd. Door nanodeeltjes op te nemen in een type polymeer, polyvinylideenfluoride (PVDF), creëerden de onderzoekers een onderling verbonden netwerk van polen binnen het polymeer.
Dit netwerk maakte het mogelijk een ferro-elektrische faseovergang te induceren bij veel lagere elektrische velden dan normaal nodig zou zijn. Dit werd bereikt via een elektrothermische methode: een elektrische stroom die door een geleider gaat, produceert warmte. Het gebruik van de verwarming om de faseovergang in het nanocomposietpolymeer te induceren, resulteerde in slechts minder dan 10% van de sterkte van een elektrisch veld dat doorgaans nodig is voor ferro-elektrische faseverandering.
Toepassing
Meestal zijn deze rek en kracht in ferro-elektrische materialen met elkaar gecorreleerd, in een omgekeerde relatie. Nu kunnen onderzoekers ze integreren in één materiaal. Ze hebben een nieuwe aanpak ontwikkeld om het aan te sturen met behulp van Joule-verwarming. Omdat het vereiste veld veel lager zal zijn, kan dit nieuwe materiaal worden gebruikt voor veel toepassingen, zoals medische apparaten, optische apparaten en zachte robotica.
Foto: Qing Wang, Penn University