La microestructura y las propiedades electromecánicas macroscópicas están estrechamente acopladas en los denominados polímeros ferroeléctricos. En TU Wien se ha encontrado ahora una explicación de la dependencia de este acoplamiento a altas temperaturas.

En ciertos materiales, Los efectos eléctricos y mecánicos están estrechamente relacionados:por ejemplo, el material puede cambiar su forma cuando se aplica un campo eléctrico o, en cambio, se puede crear un campo eléctrico cuando el material se deforma. Dichos materiales electromecánicamente activos son muy importantes para muchas aplicaciones técnicas.

Generalmente, tales materiales son especiales, cristales inorgánicos, que son duros y quebradizos. Por esta razón, ahora se utilizan los denominados polímeros ferroeléctricos. Se caracterizan por el hecho de que sus cadenas poliméricas existen simultáneamente en dos microestructuras diferentes:algunas áreas están fuertemente ordenadas (cristalinas), mientras que en el medio se forman áreas desordenadas (amorfas). Estos compuestos semicristalinos son electromecánicamente activos y, por lo tanto, combinan efectos eléctricos y mecánicos, pero al mismo tiempo también son flexibles y suaves. En TU Wien, Estos materiales ahora se han estudiado en detalle, con resultados sorprendentes:por encima de una cierta temperatura, las propiedades cambian drásticamente. Un equipo de investigación de TU Wien en cooperación con grupos de investigación de Madrid y Londres ahora ha podido explicar por qué sucede esto.

Desde microsensores hasta textiles inteligentes

"Si puede controlar el comportamiento mecánico de un material con la ayuda de campos eléctricos, puedes usarlo para construir pequeños sensores, por ejemplo, ", dice el profesor Ulrich Schmid del Instituto de Sistemas de Sensores y Actuadores de TU Wien." Esto también es interesante para los microscopios de fuerza atómica, donde pones una pequeña punta en vibración para escanear una superficie y generar una imagen ".

El campo de aplicación de tales materiales puede expandirse dramáticamente si es posible inducir tales propiedades electromecánicas no solo en materiales rígidos, pero también en flexible, materiales blandos. Por un lado, los materiales flexibles tienen un comportamiento de vibración completamente diferente, que puede explotarse en la construcción de pequeños sensores. Por otra parte, Estos materiales también abren posibilidades completamente nuevas, como textiles inteligentes, almacenamiento de energía flexible o para la recolección de energía integrada.

"Los sólidos pueden ser cristalinos, en cuyo caso los átomos están dispuestos en una red regular, o pueden ser amorfos, en cuyo caso los átomos individuales se distribuyen aleatoriamente, "explica Jonas Hafner, quien está trabajando en este proyecto de investigación como parte de su tesis. "Lo especial del material que estudiamos es que puede ser ambos al mismo tiempo:forma regiones cristalinas, y en el medio el material es amorfo ".

Los cristales son responsables de las propiedades electromecánicas del material, la matriz amorfa mantiene unidos los diminutos cristales, en general creando un muy suave, material flexible.

Demasiado calor

Para poder seguir desarrollando y mejorando dichos materiales, el equipo de investigación primero investigó sus propiedades físicas básicas. Durante sus investigaciones, se encontraron con un fenómeno sorprendente:los polímeros ferroeléctricos, que consisten en una combinación de áreas cristalinas y amorfas, cambian su composición microscópica a una determinada temperatura, lo que tiene efectos sorprendentes sobre el comportamiento electromecánico macroscópico.

Normalmente, las propiedades electromecánicas de un material solo desaparecen cuando una temperatura muy alta provoca oscilaciones tan grandes a nivel atómico, que el orden eléctrico en el material desaparece por completo. Esta temperatura crítica se denomina "temperatura de Curie". Pero en el caso del material que se está estudiando ahora, las cosas son más complicadas:"En nuestro caso, las propiedades electromecánicas de los diminutos cristales permanecen. Microscópicamente, los cristales siguen siendo electroactivos, pero a nivel macroscópico, este comportamiento electroactivo desaparece, "dice Jonas Hafner.

Contacto perdido entre los granos de cristal

El equipo pudo explicar cómo se produce este efecto:a medida que aumenta la temperatura, aumenta la proporción de áreas amorfas del polímero, y en cierto punto los diminutos cristales pierden contacto directo entre sí. Esto significa que las fuerzas mecánicas ya no se pueden transferir de uno de los cristales diminutos al siguiente, porque todos están completamente incrustados en una matriz amorfa amortiguadora. Esto cambia drásticamente el comportamiento mecánico y electromecánico del material.

"Solo si entendemos estos efectos fundamentales podremos explicar cómo las propiedades microscópicas y macroscópicas se correlacionan en tales materiales, ", dice Ulrich Schmid." Estamos trabajando con numerosos socios del proyecto que luego utilizan dichos materiales, en microscopios de fuerza atómica, en sensores, en chips. Existen numerosas aplicaciones potenciales para esta apasionante fase material ".