Une nouvelle compréhension fondamentale du comportement ferroélectrique des relaxeurs polymères pourrait conduire à des avancées dans l'électronique flexible, actionneurs et transducteurs, stockage d'Energie, capteurs piézoélectriques et refroidissement électrocalorique, selon une équipe de chercheurs de Penn State et North Carolina State.

Les chercheurs ont débattu de la théorie derrière le mécanisme des ferroélectriques relaxeurs pendant plus de 50 ans, dit Qing Wang, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à Penn State. Alors que les ferroélectriques relaxants sont bien connus, des matériaux fondamentalement fascinants et technologiquement utiles, une La nature article commentait en 2006 qu'ils étaient hétérogènes, désordres désespérés.

Sans une compréhension fondamentale du mécanisme, peu de progrès ont été réalisés dans la conception de nouveaux matériaux ferroélectriques relaxeurs. La nouvelle compréhension, qui repose à la fois sur l'expérimentation et la modélisation théorique, montre que la ferroélectricité relaxante dans les polymères provient de troubles de la conformation des chaînes induits par la chiralité. La chiralité est une caractéristique de nombreux matériaux organiques dans lesquels les molécules sont des images miroir les unes des autres, mais pas exactement pareil. Le mécanisme relaxant des polymères est très différent du mécanisme proposé pour les céramiques dont le comportement relaxant provient de troubles chimiques.

"Différent des ferroélectriques, les relaxeurs ne présentent pas de grands domaines ferroélectriques à longue portée mais des domaines polaires locaux désordonnés, " Wang a expliqué. " La recherche sur les matériaux polymères relaxants a été difficile en raison de la présence de plusieurs phases telles que cristallin, aire interfaciale amorphe et cristallin-amorphe dans les polymères."

Dans les condensateurs de stockage d'énergie, les relaxeurs peuvent fournir une densité d'énergie beaucoup plus élevée que les ferroélectriques normaux, qui ont une perte ferroélectrique élevée qui se transforme en chaleur perdue. En outre, les relaxeurs peuvent générer une contrainte plus importante sous les champs électriques appliqués et ont une bien meilleure efficacité de conversion d'énergie que les ferroélectriques normaux, ce qui en fait des matériaux de prédilection pour les actionneurs et les capteurs.

Penn State a une longue histoire de découverte dans les matériaux ferroélectriques. Qiming Zhang, professeur de génie électrique à Penn State, a découvert le premier polymère ferroélectrique relaxant en 1998, lorsqu'il a utilisé un faisceau d'électrons pour irradier un polymère ferroélectrique et a découvert qu'il était devenu un relaxant. Zhang et Qing Wang ont également fait des découvertes fondamentales sur l'effet électrocalorique à l'aide de polymères relaxants, qui permet un refroidissement à l'état solide sans l'utilisation de gaz nocifs et utilise beaucoup moins d'énergie que la réfrigération conventionnelle.

« La nouvelle compréhension du comportement des relaxeurs nous ouvrirait des opportunités sans précédent pour concevoir des polymères ferroélectriques relaxeurs pour une gamme d'applications de stockage et de conversion d'énergie, " dit Wang.

Leur travail, « Propriétés relaxantes induites par la chiralité dans les polymères ferroélectriques, " apparaît aujourd'hui, 29 juin dans la revue Matériaux naturels .