La microstructure et les propriétés électromécaniques macroscopiques sont étroitement couplées dans les polymères dits ferroélectriques. Une explication de la dépendance à la température élevée de ce couplage a maintenant été trouvée à TU Wien.

Dans certains matériaux, les effets électriques et mécaniques sont étroitement liés :par exemple, le matériau peut changer de forme lorsqu'un champ électrique est appliqué ou, inversement, un champ électrique peut être créé lorsque le matériau est déformé. De tels matériaux électromécaniquement actifs sont très importants pour de nombreuses applications techniques.

D'habitude, ces matériaux sont spéciaux, cristaux inorganiques, qui sont durs et cassants. Pour cette raison, des polymères dits ferroélectriques sont maintenant utilisés. Ils se caractérisent par le fait que leurs chaînes polymères existent simultanément dans deux microstructures différentes :certaines zones sont fortement ordonnées (cristallines), tandis que des zones désordonnées (amorphes) se forment entre les deux. Ces composites semi-cristallins sont électromécaniquement actifs et combinent donc effets électriques et mécaniques, mais en même temps, ils sont aussi flexibles et doux. A la TU Vienne, ces matériaux ont maintenant été étudiés en détail - avec des résultats surprenants :au-dessus d'une certaine température, les propriétés changent radicalement. Une équipe de recherche de la TU Wien en coopération avec des groupes de recherche de Madrid et de Londres a maintenant pu expliquer pourquoi cela se produit.

Des micro-capteurs aux textiles intelligents

"Si vous pouvez contrôler le comportement mécanique d'un matériau à l'aide de champs électriques, vous pouvez l'utiliser pour construire de minuscules capteurs, par exemple, ", explique le professeur Ulrich Schmid de l'Institut des systèmes de capteurs et d'actionneurs de la TU Wien. "Ceci est également intéressant pour les microscopes à force atomique, où vous mettez une petite pointe en vibration pour scanner une surface et générer une image."

Le champ d'application de ces matériaux peut être considérablement élargi s'il est possible d'induire de telles propriétés électromécaniques non seulement dans les matériaux rigides, mais aussi en flexible, matières douces. D'un côté, les matériaux flexibles ont un comportement vibratoire complètement différent, qui peuvent être exploités dans la construction de minuscules capteurs. D'autre part, ces matériaux ouvrent également de toutes nouvelles possibilités, comme les textiles intelligents, stockage d'énergie flexible ou pour la récupération d'énergie intégrée.

"Les solides peuvent être cristallins, auquel cas les atomes sont disposés en un réseau régulier, ou ils peuvent être amorphes, auquel cas les atomes individuels sont distribués de manière aléatoire, " explique Jonas Hafner, qui travaille sur ce projet de recherche dans le cadre de sa thèse. "La particularité du matériau que nous avons étudié est qu'il peut être les deux à la fois :il forme des régions cristallines, et entre les deux, le matériau est amorphe."

Les cristaux sont responsables des propriétés électromécaniques du matériau, la matrice amorphe maintient les minuscules cristaux ensemble, dans l'ensemble créant un très doux, matériau souple.

Trop de chaleur

Afin de pouvoir continuer à développer et à améliorer ces matériaux, l'équipe de recherche a d'abord étudié leurs propriétés physiques de base. Au cours de leurs enquêtes, ils sont tombés sur un phénomène surprenant :les polymères ferroélectriques, qui consistent en une combinaison de zones cristallines et amorphes, modifier leur composition microscopique à une certaine température, ce qui a des effets surprenants sur le comportement électromécanique macroscopique.

Normalement, les propriétés électromécaniques d'un matériau ne disparaissent que lorsqu'une température très élevée provoque des oscillations aussi importantes au niveau atomique, que l'ordre électrique dans le matériau disparaisse complètement. Cette température critique est appelée "température de Curie". Mais dans le cas du matériau actuellement à l'étude, les choses sont plus compliquées :« Dans notre cas, les propriétés électromécaniques des minuscules cristaux demeurent. Au microscope, les cristaux sont encore électroactifs, mais au niveau macroscopique, ce comportement électroactif disparaît, " dit Jonas Hafner.

Perte de contact entre les grains de cristal

L'équipe a pu expliquer comment cet effet se produit :à mesure que la température augmente, la proportion de zones amorphes du polymère augmente, et à un certain point, les minuscules cristaux perdent le contact direct les uns avec les autres. Cela signifie que les forces mécaniques ne peuvent plus être transférées d'un des minuscules cristaux à l'autre, car ils sont tous complètement noyés dans une matrice amorphe d'amortissement. Cela modifie considérablement le comportement mécanique et électromécanique du matériau.

"Ce n'est que si nous comprenons ces effets fondamentaux que nous pouvons expliquer comment les propriétés microscopiques et macroscopiques sont corrélées dans de tels matériaux, " explique Ulrich Schmid. " Nous travaillons avec de nombreux partenaires de projet qui utilisent ensuite de tels matériaux - dans des microscopes à force atomique, dans les capteurs, en chips. Il existe de nombreuses applications potentielles pour cette phase matérielle passionnante. »