Polymères piézoélectriques

Une équipe de chercheurs interdisciplinaires dirigée par l'État de Penn State a mis au point un polymère doté d'une efficacité piézoélectrique robuste, permettant une production d'électricité 60 % plus efficace que les itérations précédentes.

Les matériaux piézoélectriques convertissent les contraintes mécaniques en électricité, ou vice versa, et peuvent être utiles dans les capteurs, les actionneurs et de nombreuses autres applications. Selon Qiming Zhang, professeur émérite de génie électrique, la mise en œuvre de piézoélectriques dans des polymères (matériaux composés de chaînes moléculaires et couramment utilisés dans les plastiques, les médicaments, etc.) peut s'avérer difficile.

"Historiquement, le couplage électromécanique des polymères a été très faible", a déclaré Zhang. "Nous avons entrepris d'améliorer cela parce que la douceur relative des polymères en fait d'excellents candidats pour les capteurs et actionneurs souples dans une variété de domaines, y compris la biodétection, 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 souhaitables, à condition qu'ils intègrent le nombre correct d'impuretés. Ajouter trop peu de dopant pourrait empêcher l'effet désiré de s'amorcer, tandis qu'en ajouter trop pourrait introduire des traits indésirables qui entravent la fonction du matériau.

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

Pour renforcer l'effet dopant et assurer l'alignement des chaînes moléculaires, les chercheurs ont étiré le polymère. Cet alignement, selon Zhang, favorise davantage une réponse électromécanique qu'un polymère avec des chaînes alignées de manière aléatoire.

"L'efficacité de la production d'électricité du polymère a été considérablement augmentée", a déclaré Zhang. "Grâce à ce processus, nous avons atteint une efficacité de 70 %, une amélioration considérable par rapport aux 10 % d'efficacité précédents."

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

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

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