Polímeros piezoelétricos

Uma equipe de pesquisadores interdisciplinares liderada pela Penn State desenvolveu um polímero com eficácia piezoelétrica robusta, resultando em geração de eletricidade 60% mais eficiente do que as iterações anteriores.

Os materiais piezoelétricos convertem o estresse mecânico em eletricidade, ou vice-versa, e podem ser úteis em sensores, atuadores e muitas outras aplicações. Mas implementar piezoelétricos em polímeros – materiais compostos de cadeias moleculares e comumente usados ​​em plásticos, drogas e muito mais – pode ser difícil, de acordo com Qiming Zhang, professor de engenharia elétrica.

“Historicamente, o acoplamento eletromecânico de polímeros tem sido muito baixo”, disse Zhang. “Nós nos propusemos a melhorar isso porque a relativa suavidade dos polímeros os torna excelentes candidatos para sensores e atuadores suaves em uma variedade de áreas, incluindo biossensor, sonar, músculos artificiais e muito mais.”

Para criar o material, os pesquisadores introduziram deliberadamente impurezas químicas no polímero. Esse processo, conhecido como dopagem, permite aos pesquisadores ajustar as propriedades de um material para gerar efeitos desejáveis ​​– desde que integrem o número correto de impurezas. Adicionar muito pouco de um dopante pode impedir o início do efeito desejado, enquanto adicionar muito pode introduzir traços indesejados que prejudicam a função do material.

A dopagem distorce o espaçamento entre cargas positivas e negativas dentro dos componentes estruturais do polímero. Essa distorção segrega as cargas opostas, permitindo que os componentes acumulem uma carga elétrica externa de forma mais eficiente. Esse acúmulo aumenta a transferência de eletricidade no polímero quando ele é deformado, disse Zhang.

Para potencializar o efeito de dopagem e garantir o alinhamento das cadeias moleculares, os pesquisadores esticaram o polímero. Esse alinhamento, segundo Zhang, promove mais uma resposta eletromecânica do que um polímero com cadeias alinhadas aleatoriamente.

“A eficiência da geração de eletricidade do polímero aumentou muito”, disse Zhang. “Com este processo, alcançamos 70% de eficiência – uma grande melhoria em relação aos 10% de eficiência anteriores.”

Este desempenho eletromecânico robusto, que é mais comum em materiais cerâmicos rígidos, pode possibilitar uma variedade de aplicações para o polímero flexível.

Como o polímero exibe resistência a ondas sonoras semelhante à da água e dos tecidos humanos, ele pode ser aplicado para uso em imagens médicas, hidrofones subaquáticos ou sensores de pressão.

Os polímeros também tendem a ser mais leves e configuráveis ​​do que a cerâmica, então esse polímero pode oferecer oportunidades para explorar melhorias em imagens, robótica e muito mais, disse Zhang.