Puede ser posible un aumento de 10 veces en la capacidad de recolectar energía mecánica y térmica en comparación con los compuestos piezoeléctricos estándar utilizando una espuma cerámica piezoeléctrica sostenida por un soporte de polímero flexible, según los investigadores de Penn State.

En la búsqueda de formas de recolectar pequeñas cantidades de energía para hacer funcionar dispositivos electrónicos móviles o sensores para el monitoreo de la salud, Los investigadores suelen añadir nanopartículas de cerámica dura o nanocables a un soporte de polímero flexible. El polímero proporciona la flexibilidad, mientras que las nanopartículas piezoeléctricas convierten la energía mecánica en voltaje eléctrico. Pero estos materiales son relativamente ineficientes, porque con la carga mecánica, la energía mecánica es absorbida en gran medida por la mayor parte del polímero, con una fracción muy pequeña transferida a las nanopartículas piezoeléctricas. Si bien agregar más cerámica aumentaría la eficiencia energética, viene con la compensación de menos flexibilidad.

"La cerámica dura del polímero blando es como piedras en el agua, "dijo Qing Wang, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, Penn State. "Puedes golpear la superficie del agua, pero se transfiere poca fuerza a las piedras. A eso lo llamamos capacidad de transferencia de tensión ".

Hace casi tres décadas, Bob Newnham, científico de materiales de Penn State fallecido, propuso el concepto de que la conectividad del relleno piezoeléctrico determinaba la eficiencia del efecto piezoeléctrico. Un material tridimensional sería más eficiente que lo que clasificó como nanopartículas de dimensión cero, nanocables unidimensionales o películas bidimensionales, porque la energía mecánica se transportaría directamente a través del material tridimensional en lugar de disiparse en la matriz polimérica.

"Bob Newnham era una leyenda en el campo de los piezoeléctricos, ", dijo Wang." para que todos en la comunidad cerámica conocieran su enfoque, pero cómo lograr esa estructura tridimensional con una microestructura bien definida sigue siendo un misterio ".

El ingrediente secreto para resolver el misterio resultó ser una lámina de espuma de poliuretano barata que se puede comprar en cualquier tienda de mejoras para el hogar. Las pequeñas protuberancias uniformes de la hoja actúan como plantilla para formar la microestructura de la cerámica piezoeléctrica. Los investigadores aplicaron la cerámica a la hoja de poliuretano en forma de nanopartículas suspendidas en solución. Cuando la plantilla y la solución se calientan a una temperatura suficientemente alta, la hoja se quema y la solución se cristaliza en una sólida espuma de microforma tridimensional con orificios uniformes. A continuación, rellenan los agujeros de la espuma cerámica con polímero.

"Vemos que este compuesto tridimensional tiene una producción de energía mucho mayor en diferentes modos, "dijo Wang." Podemos estirarlo, Dóblelo, presiónelo. Y al mismo tiempo, se puede utilizar como recolector de energía piroeléctrica si hay un gradiente de temperatura de al menos unos pocos grados ".

Sulin Zhang, profesor de ingeniería y mecánica, Penn State es el otro autor correspondiente del artículo que aparece en Ciencias de la energía y el medio ambiente . Zhang y sus estudiantes fueron responsables de un extenso trabajo computacional que simulaba el rendimiento piezoeléctrico del compuesto tridimensional.

"Pudimos demostrar teóricamente que el rendimiento piezoeléctrico de los compuestos de nanopartículas / nanocables está críticamente limitado por la gran disparidad en la rigidez de la matriz polimérica y las piezocerámicas". pero la espuma compuesta 3-D no está limitada por la rigidez, ", dijo Zhang." Esta es la diferencia fundamental entre estos materiales compuestos, que habla de la innovación de este nuevo compuesto tridimensional. Nuestras extensas simulaciones demuestran aún más esta idea ".

En la actualidad, Wang y sus colaboradores están trabajando con alternativas sin plomo y más respetuosas con el medio ambiente a la cerámica actual de plomo-circonio-titanato.

"Este es un método muy general, ", dijo Wang." Esto es para demostrar el concepto, basado en el trabajo de Bob Newnham. Es bueno continuar el trabajo de una leyenda de Penn State y avanzar en este campo ". Autores adicionales en el artículo, "Compuestos de espuma cerámica piezoeléctrica tridimensional interconectados flexibles a base de espuma para una recolección de energía térmica y mecánica concurrente altamente eficiente, "son los coautores principales Guangzu Zhang, anteriormente en el grupo de Wang y ahora en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong, Porcelana; y Peng Zhao, estudiante de doctorado en el grupo de Zhang. Otros contribuyentes son Xiaoshin Zhang, Kuo Han, Tiankai Zhao, Yong Zhang, Chang Kyu Jeong y Shenglin Jiang.