ساخت پلیمر فروالکتریک با قابلیت تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی – یک ضربه


محققان اخیرا موفق به ساخت پلیمر فروالکتریک شده اند که به طور موثر انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند.

من گزارش میدم تکناک، این ماده که پتانسیل استفاده در دستگاه های پزشکی و روباتیک را نشان می دهد، بر محدودیت های پیزوالکتریک سنتی غلبه می کند. محققان با ایجاد یک نانوکامپوزیت پلیمری، عملکرد آن را بهبود بخشیدند و قدرت میدان محرک مورد نیاز را به میزان قابل توجهی کاهش دادند و کاربرد موثر آن را گسترش دادند.

تنش مکانیکی، به این معنی که چگونه یک ماده با اعمال نیرو، شکل خود را تغییر می‌دهد، یکی از ویژگی‌های مهم یک محرک است. محرک به معنای هر ماده ای است که با اعمال نیروی خارجی مانند انرژی الکتریکی تغییر شکل می دهد. به طور سنتی، این مواد محرک سخت بوده اند، اما محرک های نرم مانند پلیمرهای فروالکتریک انعطاف پذیری و سازگاری بیشتری با محیط زیست نشان می دهند.

این مطالعه پتانسیل نانوکامپوزیت‌های پلیمری فروالکتریک را برای غلبه بر محدودیت‌های کامپوزیت‌های پلیمری پیزوالکتریک سنتی نشان می‌دهد و روشی امیدوارکننده برای توسعه محرک‌های نرم با افزایش عملکرد ولتاژ و چگالی انرژی مکانیکی است. محرک های نرم به دلیل استحکام، قدرت و انعطاف پذیری، همیشه مورد توجه محققان روباتیک هستند.

به لطف این ماده اکنون می توان نوعی رباتیک نرم تولید کرد که به آن ماهیچه مصنوعی نیز می گویند.این عضله مصنوعی به محققان این امکان را می دهد که مواد نرمی داشته باشند که علاوه بر فشار زیاد، بار زیادی را نیز تحمل کند. شبیه ماهیچه انسان است.

البته قبل از استفاده از این مواد، موانعی وجود دارد که باید بر آنها غلبه کرد و این مطالعه راه حل های موثری را برای رفع این موانع پیشنهاد کرد. فروالکتریک ها گروهی از مواد هستند که وقتی بار الکتریکی خارجی اعمال می شود و بارهای مثبت و منفی موجود در مواد به قطب های مختلف می روند، قطبش الکتریکی خود به خودی را نشان می دهند. تنش موجود در این مواد در حین انتقال فاز که در این مورد تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی است، می تواند خواصی مانند شکل آنها را کاملاً تغییر دهد و آنها را به عنوان محرک مفید کند.

یکی از کاربردهای رایج محرک فروالکتریک، چاپگر جوهرافشان است، که در آن یک بار الکتریکی شکل محرک را تغییر می دهد تا نازل های کوچکی که جوهر را روی کاغذ می ریزند و متن و تصویر را تشکیل می دهند، دقیقاً کنترل شود.

اگرچه بیشتر مواد فروالکتریک سرامیک هستند، اما می توانند پلیمر نیز باشند. پلیمرها گروهی از مواد طبیعی و مصنوعی هستند که از واحدهای بسیار مشابهی تشکیل شده اند. به عنوان مثال، DNA یک پلیمر است، همانطور که نایلون یک پلیمر است. مزیت پلیمرهای فروالکتریک این است که به دلیل میدان الکتریکی مورد نیاز برای تحریک، ولتاژ بالایی از خود نشان می دهند. این ولتاژ بسیار بالاتر از ولتاژ ایجاد شده توسط سایر مواد فروالکتریک مورد استفاده برای محرک ها مانند سرامیک است.

این ویژگی مواد فروالکتریک به همراه سطح بالایی از انعطاف پذیری، کاهش هزینه در مقایسه با سایر مواد فروالکتریک و وزن کم، مورد توجه محققان در زمینه رو به رشد رباتیک نرم، طراحی ربات هایی با قطعات انعطاف پذیر و الکترونیک است.

چالش دوم این است که یک محرک پلیمری فروالکتریک معمولاً به یک میدان محرکه بسیار بالا نیاز دارد، که نیرویی است که باعث تغییر در سیستم می شود، مانند تغییر شکل در محرک. در این حالت، یک میدان محرکه بالا برای ایجاد تغییر شکل در پلیمر لازم است تا پاسخ فروالکتریک به نیروی محرکه تبدیل شود.

یک راه حل پیشنهادی برای بهبود عملکرد پلیمرهای فروالکتریک، توسعه نانوکامپوزیت پلیمری فروالکتریک نافذ است که نوعی برچسب میکروسکوپی متصل به پلیمر است. محققان با قرار دادن نانوذرات در نوعی پلیمر به نام پلی وینیلیدین فلوراید، شبکه ای از قطب های به هم پیوسته را در داخل پلیمر ایجاد کردند.

این شبکه یک انتقال فاز فروالکتریک را در میدان های الکتریکی بسیار پایین تر از میدان های الکتریکی معمولی ایجاد می کند. این نتیجه با روش الکتروترمال با استفاده از گرمایش ژول به دست آمد، که زمانی اتفاق می افتد که جریان الکتریکی از سیم عبور می کند و گرما تولید می کند. استفاده از گرمایش ژول برای القای انتقال فاز در نانوکامپوزیت پلیمری تنها به کمتر از 10 درصد از قدرت میدان الکتریکی نیاز دارد که معمولاً برای انتقال فاز فروالکتریک مورد نیاز است.

به طور معمول، این ولتاژ و نیرو در مواد فروالکتریک نسبت معکوس دارند. اکنون می توان آنها را در یک ماده ترکیب کرد و رویکرد جدیدی برای هدایت آن با استفاده از گرمایش ژول ایجاد کرد.

Related Posts

دیدگاهتان را بنویسید