Polímeros piezoeléctricos

Un equipo de investigadores interdisciplinarios dirigido por Penn State ha desarrollado un polímero con una sólida eficacia piezoeléctrica, lo que da como resultado una generación de electricidad un 60 % más eficiente que iteraciones anteriores.

Los materiales piezoeléctricos convierten el estrés mecánico en electricidad, o viceversa, y pueden ser útiles en sensores, actuadores y muchas otras aplicaciones. Pero implementar piezoeléctricos en polímeros (materiales compuestos de cadenas moleculares y comúnmente utilizados en plásticos, medicamentos y más) puede ser difícil, según Qiming Zhang, Profesor Distinguido de Ingeniería Eléctrica.

“Históricamente, el acoplamiento electromecánico de los polímeros ha sido muy bajo”, dijo Zhang. "Nos propusimos mejorar esto porque la relativa suavidad de los polímeros los convierte en excelentes candidatos para sensores y actuadores suaves en una variedad de áreas, que incluyen biodetección, sonar, músculos artificiales y más".

Para crear el material, los investigadores introdujeron deliberadamente impurezas químicas en el polímero. Este proceso, conocido como dopaje, permite a los investigadores ajustar las propiedades de un material para generar efectos deseables, siempre que integren la cantidad correcta de impurezas. Agregar muy poco dopante podría evitar que se inicie el efecto deseado, mientras que agregar demasiado podría introducir rasgos no deseados que dificultan la función del material.

El dopaje distorsiona el espacio entre las cargas positivas y negativas dentro de los componentes estructurales del polímero. Esta distorsión segrega las cargas opuestas, lo que permite que los componentes acumulen una carga eléctrica externa de manera más eficiente. Esta acumulación mejora la transferencia de electricidad en el polímero cuando se deforma, dijo Zhang.

Para mejorar el efecto de dopaje y asegurar la alineación de las cadenas moleculares, los investigadores estiraron el polímero. Esta alineación, según Zhang, promueve una respuesta más electromecánica que la de un polímero con cadenas alineadas al azar.

“La eficiencia de la generación de electricidad del polímero aumentó enormemente”, dijo Zhang. "Con este proceso, logramos una eficiencia del 70 %, una gran mejora con respecto al 10 % de eficiencia anterior".

Este rendimiento electromecánico robusto, que es más común en materiales cerámicos rígidos, podría permitir una variedad de aplicaciones para el polímero flexible.

Debido a que el polímero exhibe una resistencia a las ondas de sonido similar a la del agua y los tejidos humanos, podría aplicarse para su uso en imágenes médicas, hidrófonos submarinos o sensores de presión.

Los polímeros también tienden a ser más livianos y configurables que la cerámica, por lo que este polímero podría brindar oportunidades para explorar mejoras en imágenes, robótica y más, dijo Zhang.