Polymère piézoélectrique révolutionnaire augmente la conversion d'énergie de 60 %

Une équipe interdisciplinaire dirigée par Penn State a développé un polymère avec une efficacité piézoélectrique robuste, résultant en une génération d'électricité 60 % plus efficace que les itérations précédentes.

Les matériaux piézoélectriques convertissent le stress mécanique en électricité, ou vice versa, et peuvent être utiles dans les capteurs, actionneurs et de nombreuses autres applications. Mais l'implémentation de piézoélectriques dans les polymères — matériaux composés de chaînes moléculaires et couramment utilisés dans les plastiques, médicaments, et plus — peut être difficile, selon Qiming Zhang, Professeur Distingué de Génie Électrique.

« Historiquement, le couplage électromécanique des polymères a été très faible », a dit Zhang. « Nous avons entrepris d'améliorer cela car la douceur relative des polymères en fait d'excellents candidats pour les capteurs et actionneurs souples dans une variété de domaines, y compris la biosensibilité, le sonar, les muscles artificiels, et plus. »

Pour créer le matériau, les chercheurs ont délibérément introduit des impuretés chimiques dans le polymère. Ce processus, connu sous le nom de dopage, permet aux chercheurs d'ajuster les propriétés d'un matériau pour générer des effets désirables — à condition qu'ils intègrent le bon nombre d'impuretés. Ajouter trop peu de dopant pourrait empêcher l'effet désiré de s'initier, tandis qu'en ajouter trop pourrait introduire des traits indésirables qui entravent la fonction du matériau.

Le dopage distord l'espacement entre les charges positives et négatives au sein des composants structuraux du polymère. Cette distorsion sépare les charges opposées, permettant aux composants d'accumuler une charge électrique externe plus efficacement. Cette accumulation améliore le transfert d'électricité dans le polymère lorsqu'il est déformé, a dit Zhang.

Pour améliorer l'effet de dopage et assurer l'alignement des chaînes moléculaires, les chercheurs ont étiré le polymère. Cet alignement, selon Zhang, favorise plus de réponse électromécanique que d'un polymère avec des chaînes alignées aléatoirement.

« L'efficacité de la génération d'électricité du polymère a été largement augmentée », a dit Zhang. « Avec ce processus, nous avons atteint 70 % d'efficacité — une vaste amélioration par rapport aux 10 % d'efficacité d'avant. »

Cette performance électromécanique robuste, qui est plus courante dans les matériaux céramiques rigides, pourrait permettre une variété d'applications pour le polymère flexible.

Puisque le polymère présente une résistance aux ondes sonores similaire à celle de l'eau et des tissus humains, il pourrait être appliqué pour une utilisation dans l'imagerie médicale, les hydrophones sous-marins, ou les capteurs de pression.

Les polymères ont également tendance à être plus légers et plus configurables que les céramiques, donc ce polymère pourrait offrir des opportunités d'explorer des améliorations dans l'imagerie, la robotique et plus, a dit Zhang.