Polímero Piezoelétrico Revolucionário Aumenta Conversão de Energia em 60%

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

Materiais piezoelétricos convertem 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, fármacos e mais — pode ser difícil, segundo Qiming Zhang, Professor Distinto de Engenharia Elétrica.

"Historicamente, o acoplamento eletromecânico de polímeros tem sido muito baixo," disse Zhang. "Nos propusemos a melhorar isso porque a maciez relativa dos polímeros os torna excelentes candidatos para sensores e atuadores macios em uma variedade de áreas, incluindo biossensoriamento, sonar, músculos artificiais e mais."

Para criar o material, os pesquisadores introduziram deliberadamente impurezas químicas no polímero. Este processo, conhecido como dopagem, permite que pesquisadores ajustem as propriedades de um material para gerar efeitos desejáveis — desde que integrem o número correto de impurezas. Adicionar muito pouco de um dopante poderia impedir o efeito desejado de iniciar, enquanto adicionar muito poderia 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. Esta distorção segrega as cargas opostas, permitindo que os componentes acumulem uma carga elétrica externa mais eficientemente. Esta acumulação melhora a transferência de eletricidade no polímero quando ele é deformado, disse Zhang.

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

"A eficiência de geração de eletricidade do polímero foi vastamente aumentada," disse Zhang. "Com este processo, alcançamos 70% de eficiência — uma vasta melhoria dos 10% de eficiência antes."

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

Como o polímero exibe resistência a ondas sonoras similar à da água e tecidos humanos, pode ser aplicado para uso em imagem médica, hidrofones subaquáticos ou sensores de pressão.

Polímeros também tendem a ser mais leves e configuráveis que cerâmicas, então este polímero pode fornecer oportunidades para explorar melhorias em imagem, robótica e mais, disse Zhang.