به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، برای فعال کردن فروالکتریک‌ها و کاربردهای آنها در مبدل‌ها، محرک‌ها و حسگرها تبدیل انرژی‌های الکتریکی و مکانیکی به همدیگر بسیار مهم است. پلیمرهای فروالکتریک دارای یک کرنش غول‌پیکر ناشی از میدان الکتریکی (> 4.0%) هستند که به طور قابل‌توجهی از کرنش تحریک (≤1.7٪) سرامیک‌ها و کریستال‌های پیزوالکتریک فراتر می‌رود. در همین راستا به تازگی یک پلیمر فروالکتریک جدید که به طور موثر انرژی الکتریکی را به کرنش مکانیکی تبدیل می‌کند توسط محققان ایالت پن ساخته شده است. این ماده که پتانسیل استفاده در دستگاه‌های پزشکی و روباتیک را نشان می‌دهد، بر محدودیت‌های پیزوالکتریک سنتی غلبه می‌کند. محققان در این مطالعه عملکرد این ماده را با ایجاد یک نانوکامپوزیت پلیمری بهبود بخشیدند و به طور قابل توجهی قدرت میدان محرک لازم را کاهش تا کاربردهای بالقوه این ماده را گسترش دهند.

فروالکتریک‌ها

فروالکتریک‌ها دسته ای از مواد هستند که وقتی بار الکتریکی خارجی اعمال می‌شود و بارهای مثبت و منفی در مواد به قطب‌های مختلف می‌روند، قطبش الکتریکی خود به خودی را نشان می‌دهند. کرنش در این مواد در طول انتقال فاز، در این مورد تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی، می‌تواند به طور کامل خواصی مانند شکل آن را تغییر دهد و آنها را به عنوان محرک مفید کند. به طور بالقوه اکنون می‌توانیم نوعی رباتیک نرم داشته باشیم که از آن به عنوان ماهیچه مصنوعی یاد کنیم." یکی از کاربردهای رایج محرک فروالکتریک، چاپگر جوهرافشان است، که در آن شارژ الکتریکی شکل محرک را تغییر می‌دهد تا نازل‌های ریزی که جوهر را روی کاغذ می‌ریزد و متن و تصویر را تشکیل می‌دهد، دقیقاً کنترل شود. مواد فروالکتریک به طور گسترده در تبدیل انرژی الکترومکانیکی (EM) مانند برداشت انرژی، مبدل‌های صوتی برای تصویربرداری، تشخیص خطا، ناوبری کشتی و حسگرها و عضلات مصنوعی در روبات‌ها استفاده شده‌اند. پلیمرهای فروالکتریک به دلیل انعطاف پذیری بالا، ساخت آسان به اشکال پیچیده، وزن سبک و هزینه کم، برای این کاربردها جذاب هستند.

کرنش مکانیکی

کرنش مکانیکی، نحوه تغییر شکل یک ماده هنگام اعمال نیرو، یک ویژگی مهم برای یک محرک است، که هر ماده‌ای است که با اعمال نیروی خارجی مانند انرژی الکتریکی تغییر شکل می‌دهد. به طور سنتی، این مواد محرک سفت و سخت هستند، اما محرک‌های نرم مانند پلیمرهای فروالکتریک انعطاف پذیری و سازگاری محیطی بالاتری را 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 به صنعت علمی افزوده است. محرک‌های نرم به دلیل استحکام، قدرت و انعطاف‌پذیری مورد توجه محققان روباتیک هستند.

تولید نوعی رباتیک نرم

چینگ وانگ، استاد علوم و مهندسی مواد در ایالت پن و نویسنده همکار این مطالعه که اخیراً در مجله Nature Materials منتشر شده است، گفت: «به طور بالقوه اکنون می‌توانیم نوعی رباتیک نرم داشته باشیم که از آن به عنوان ماهیچه مصنوعی یاد کنیم. "این ما را قادر می‌سازد تا ماده نرمی داشته باشیم که علاوه بر فشار زیاد، بار زیادی را نیز تحمل کند. بنابراین، آن ماده بیشتر شبیه ماهیچه انسان است، یا بهتر است بگوییم چیزی که نزدیک به ماهیچه انسان است. با این حال، قبل از اینکه این مواد بتوانند وعده خود را برآورده کنند، چند مانع وجود دارد که باید بر آنها غلبه کرد و راه‌حل‌های بالقوه برای این موانع در مطالعه پیشنهاد شده است.

پلیمرهای فروالکتریک

در حالی که بسیاری از مواد فروالکتریک سرامیک هستند، پلیمرها نیز می‌توانند فروالکتریک باشند، دسته ای از مواد طبیعی و مصنوعی که از بسیاری از واحدهای مشابه به هم متصل شده‌اند. به عنوان مثال، DNA یک پلیمر است، همانطور که نایلون یک پلیمر است. مزیت پلیمرهای فروالکتریک این است که مقدار زیادی کرنش ناشی از میدان الکتریکی مورد نیاز برای تحریک را نشان دهند. این کرنش بسیار بیشتر از آن چیزی است که توسط سایر مواد فروالکتریک مورد استفاده برای محرک‌ها مانند سرامیک‌ها تولید می‌شود. 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 ربات‌هایی با قطعات انعطاف پذیر و الکترونیک دارد.

دو چالش عمده در زمینه فعال‌سازی مواد نرم

وانگ گفت: «در این مطالعه، ما راه‌حل‌هایی را برای دو چالش عمده در زمینه فعال‌سازی مواد نرم پیشنهاد کردیم. «یک چاش این است که چگونه می‌توان نیروی مواد نرم را بهبود بخشید. ما می‌دانیم که مواد محرک نرم که پلیمر هستند بیشترین کرنش را دارند، اما در مقایسه با سرامیک های پیزوالکتریک نیروی بسیار کمتری تولید می‌کنند. چالش دوم نیز این است که یک محرک پلیمری فروالکتریک معمولاً به میدان محرکه بسیار بالایی نیاز دارد (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.

 بهبود عملکرد پلیمرهای فروالکتریک

راه حل پیشنهادی برای بهبود عملکرد پلیمرهای فروالکتریک، توسعه نانوکامپوزیت پلیمری فروالکتریک نفوذی - نوعی برچسب میکروسکوپی متصل به پلیمر بود. در همین راستا محققان با ترکیب نانوذرات در نوعی پلیمر، پلی وینیلیدین فلوراید، یک شبکه به هم پیوسته از قطب‌ها در داخل پلیمر ایجاد کردند. این ماده جدید را می‌توان برای بسیاری از کاربردها استفاده کرد که برای موثر بودن به میدان رانش کم نیاز دارند، مانند دستگاه‌های پزشکی، دستگاه‌های نوری و روباتیک نرم.» این شبکه در میدان‌های الکتریکی، یک انتقال فاز فروالکتریک بسیار کمتر از حد معمولی را القا می‌کند. این از طریق یک روش الکترو حرارتی با استفاده از گرمایش ژول به دست آمد، و انتقال زمانی اتفاق می‌افتد که جریان الکتریکی از یک هادی عبور می‌کند و در نهایت نیز گرما تولید می‌کند. بنابراین 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.

کرنش و نیرو در مواد فروالکتریک

وانگ گفت: «معمولاً، این کرنش و نیرو در مواد فروالکتریک با یکدیگر در یک رابطه معکوس همبستگی دارند. اکنون می‌توانیم آن‌ها را با هم در یک ماده ادغام کنیم و رویکرد جدیدی برای هدایت آن با استفاده از گرمایش ژول ایجاد کردیم. از آنجایی که میدان رانش بسیار کمتر از 10 درصد خواهد بود، می‌توان ماده جدید را برای بسیاری از کاربردهایی که برای مؤثر بودن به میدان رانش کم نیاز دارند، مانند دستگاه های پزشکی، دستگاه های نوری و روباتیک نرم استفاده کرد. ”این مطالعه توسط وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی شده است.

پایان مطلب/.