Ihr Telefon nach Belieben falten lassen? Das von Wissenschaftlern entwickelte elastische ferroelektrische Material kann es!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Shi Wuyao (PhD in Biologie)

Hersteller: China Science Expo

Können Sie sich vorstellen, dass Sie durch das Tragen eines eng anliegenden Kleidungsstücks Ihre Herzfrequenz, Atmung und andere Informationen jederzeit überwachen und so immer auf Ihre Gesundheit achten können? Können Sie sich vorstellen, dass das Mobiltelefon, das Sie täglich verwenden, weich sein, eng anliegen und nach Belieben gefaltet werden kann?

Das Aufkommen neuer elastischer ferroelektrischer Materialien könnte diese Ideen Wirklichkeit werden lassen.

Am 4. August 2023 veröffentlichte das Team für flexible magnetoelektrische Funktionsmaterialien und -geräte des Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in der Zeitschrift Science einen Artikel über eine neue Art von ferroelektrischem Polymermaterial. Dieses Material ist sowohl elastisch als auch ferroelektrisch und schließt damit eine große Lücke im Bereich der Materialien.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht

(Bildquelle: Science Magazin)

Was sind ferroelektrische Materialien?

Ferroelektrische Materialien sind eine wichtige Klasse isolierender Funktionsmaterialien im Bereich der Werkstoffe. Dabei handelt es sich üblicherweise um Materialien mit ferroelektrischen Eigenschaften, hauptsächlich kristalline Materialien .

Bei manchen kristallinen Materialien fallen die inneren positiven und negativen Ladungszentren der Grundelementarzellen, aus denen der Kristall besteht, nicht zusammen. Daher entsteht ein elektrisches Dipolmoment, das zu einer spontanen Polarisation des Kristalls führt, was dem Material wiederum ferroelektrische Eigenschaften verleiht.

Diamant, eines der härtesten kristallinen Materialien

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Da sich die Richtung des elektrischen Dipolmoments des Kristalls mit der Änderung des externen elektrischen Felds ändert, verfügen ferroelektrische Materialien über eine eigene Speicherfunktion und können Daten frei speichern und lesen.

Ferroelektrische Materialien werden hauptsächlich in wichtigen Bereichen wie elektrischen Sensoren, optoelektronischen Geräten, hochpräzisen Motoren usw. verwendet und sind auch ein unverzichtbarer Bestandteil der elektronischen Produkte, die wir in unserem täglichen Leben verwenden.

Da der Kristall selbst keine elastischen Eigenschaften besitzt, beträgt die Rückprallkraft, die er erzeugt, wenn er einer äußeren Kraft ausgesetzt wird, weniger als 5 %, sodass auch herkömmliche ferroelektrische Materialien keine Elastizität besitzen .

Mit der Entwicklung flexibler Elektronik, intelligenter Sensorik, tragbarer elektronischer Geräte usw. sind die Anforderungen an die Leistung ferroelektrischer Materialien gestiegen.

Ferroelektrische Materialien werden nicht nur benötigt, um Datenspeicherung und -abruf, Sensorik und andere Leistungsverbesserungen zu erreichen, sondern sie müssen auch elastisch sein, um eine Materialverformung zu erreichen und dann eine beliebige Biegung des Materials zu ermöglichen, um den Anforderungen an tragbare Geräte voll gerecht zu werden.

Tragbare Geräte: Smartwatches

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Wie bringt man ferroelektrische Materialien zum „Springen“?

Der kristalline Bereich im Inneren des ferroelektrischen Materials ist der Hauptbereich, in dem es seine Funktionen erfüllt.

Die Anordnung der Moleküle in den Kristallisationsbereichen herkömmlicher Materialien ist eine lineare und regelmäßige Struktur und es besteht keine kovalente Verbindung zwischen den Molekülketten. Wenn daher eine äußere Kraft auf das Material ausgeübt wird, wird die innere Struktur des Materials zerstört, wodurch die ferroelektrischen Eigenschaften des Materials verloren gehen.

Die Wissenschaftler verwendeten Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen als Reaktionsmatrixmaterial, wählten kettenförmiges Polyethylenoxiddiamin mit biegsamer und faltbarer Struktur als Vernetzungsmittel und wendeten die „Mikrovernetzungsmethode“ an, um die Kristalle in das durch das Vernetzungsmittel gebildete Netzwerk einzuhüllen und so die Herstellung des Materials abzuschließen.

Konzept und Synthese elastischer ferroelektrischer Materialien

(A) Schematische Darstellung der Veränderung der Molekülgröße ferroelektrischer Materialien unter äußerer Krafteinwirkung und der Spannungs-Dehnungs-Kurve bei plastischer und elastischer Verformung; (B) Schematische Darstellung der Vernetzung elastischer Polymere

(Bildquelle: Referenz [1])

Das neue Material weist im Inneren eine verwobene, fischernetzartige Struktur auf. Wenn es einer äußeren Kraft von 70 % Dehnung ausgesetzt wird, kann die fischernetzartige Struktur die äußere Kraft zerstreuen und sicherstellen, dass die Moleküle im Kristallisationsbereich normal funktionieren, wodurch die ferroelektrischen Eigenschaften des Materials erhalten bleiben .

Gleichzeitig kann durch die Kontrolle des Einsatzes von Vernetzungsmitteln während des Materialsyntheseprozesses sichergestellt werden, dass das Material eine reversible Verformung erzeugen kann. Die Dehnungsrate des neuen Materials kann 125 % erreichen, was ein Dutzend Mal höher ist als bei herkömmlichen Materialien.

Darüber hinaus behält das elastische ferroelektrische Material auch nach Tausenden von Dehnungsvorgängen seine stabile Form, was auf seine lange Lebensdauer hindeutet.

Die Einführung dieses elastischen ferroelektrischen Materials hat es möglich gemacht, dass Menschen elastische Westen tragen können, die die Herzfrequenz in Echtzeit überwachen und weiche, eng anliegende Mobiltelefone halten.

Elastisches Verhalten von Materialien unter Belastung

(AC) Verformung des Materials unter 0 und 70 % Dehnung; (D) Änderungen des elektrischen Felds und der Polarisationsintensität des Materials unter 0 und 70 % Dehnung; (E) Elastisches Verhalten des Materials unter verschiedenen Belastungen

(Bildquelle: Referenz [1])

Welche anderen intelligenten Materialien gibt es?

Materialien werden in jedem Aspekt unseres Lebens benötigt, von der Kleidung, die wir tragen, bis zu den Gebäuden, in denen wir leben. Materialien begleiten uns ständig. Welche anderen intelligenten Materialien haben Wissenschaftler neben elastischen ferroelektrischen Materialien entwickelt?

Dazu muss ich Ihnen zunächst einige selbstheilende Polymermaterialien vorstellen.

Mithilfe von Bioengineering haben Wissenschaftler Escherichia coli so verändert, dass es externes blaues Licht wahrnehmen und durch die Regulierung des externen blauen Lichts die Expression bestimmter funktioneller Proteine ​​erreichen konnte.

Anschließend mineralisierten die Wissenschaftler den E. coli-Biofilm weiter, um schließlich ein mineralisches Verbundmaterial zu erhalten. Dieses Material weist eine gute Biokompatibilität auf und kann künftig im Bereich der Reparatur von Knochenverletzungen eingesetzt werden, was sich positiv auf die menschliche Gesundheit auswirkt.

Reparatur von Knochenschäden

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Als nächstes möchte ich Ihnen intelligente temperaturvariable Baustoffe vorstellen.

Wissenschaftler haben ihr Wissen über Elektrochemie und Optik genutzt, um ein intelligentes, automatisch temperaturveränderliches Baumaterial zu entwickeln.

Das Material besteht aus massivem Kupfer, das Infrarotenergie speichert und ihre Temperatur erhöht, und einer wässrigen Elektrolytlösung, die Infrarotlicht aussendet und ihre Temperatur senkt.

Massiver Kupferblock

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Wenn sich daher die Temperatur um das Material herum ändert, kann das Material automatisch die Emissivität der umgebenden Infrarot-Wärmestrahlung ändern und so eine automatische Temperaturregulierung erreichen.

Es ist ersichtlich, dass Gebäude, die mit diesem Baumaterial errichtet werden, im Winter automatisch warm und im Sommer kühl bleiben.

Als nächstes kommen lichtempfindliche Polymermaterialien auf den Markt.

Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technologie haben Wissenschaftler einen lichtempfindlichen Flüssigkristallpolymerfilm mit photochromem Azobenzol entwickelt und damit die Oberfläche des Roboters beschichtet, um ihm eine Art Mantel zu verleihen.

Durch die Veränderung des Außenlichts können Menschen das Greif- und Loslassverhalten des Roboters steuern.

Durch sichtbares Licht gesteuerter Manipulator, konstruiert aus Azodiphenylacetylen-Flüssigkristallpolymermaterial und Polyethylenfolie

(Bildquelle: Referenz [5])

Technologie verändert das Leben und Innovation macht das Leben besser. Ich bin davon überzeugt, dass sich viele Bereiche wie Transport, Medizin und Bauingenieurwesen mit diesen intelligenten Materialien schneller weiterentwickeln werden.

Quellen:

[1]Liang Gao et al. Intrinsisch elastisches Polymer-Ferroelektrikum durch präzise leichte Vernetzung. Science 381, 540–544 (2023).

[2] Xiao Jing, Sun Xiaoqin, Liu Hanxing et al. Forschungsfortschritt bei texturierten ferroelektrischen Perowskit-Materialien [J]. Bulletin of Silicate, 2004, 23(5):5.

[3]Wang Y, An B, Xue B, et al. Lebende Materialien, hergestellt durch Gradientenmineralisierung lichtinduzierbarer Biofilme. Nat Chem Biol 2021 März;17(3).

[4]Chenxi Sui, Jiankun Pu, Ting-Hsuan Chen et al. Dynamischer Elektrochromismus für ganzjährige Strahlungsthermoregulierung. Nat Sustain (2023).

[5]Cheng F., Yin, R., Zhang Y., Yen C.-C., Yu Y., Vollständig plastische Mikroroboter, die Objekte nur mit sichtbarem Licht manipulieren. Weiche Materie, 2010, 6, 3447.