Il polimero ferroelettrico diventa elastico

Sebbene i polimeri siano generalmente flessibili, i materiali ferroelettrici a base polimerica tendono ad essere rigidi. L'aggiunta di una piccola quantità di materiale reticolante può tuttavia cambiare la situazione e i ricercatori del Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) in Cina affermano che i loro nuovi "ferroelettrici elastici" sono sufficientemente resistenti e flessibili da poter essere utilizzati nell'elettronica indossabile e nei dispositivi medici impiantabili.

La ferroelettricità è la capacità di un materiale di modificare le sue proprietà elettriche in risposta a un campo elettrico applicato. È stato scoperto poco più di un secolo fa in alcuni cristalli presenti in natura ed è ora sfruttato in un'ampia gamma di tecnologie, tra cui l'archiviazione di informazioni digitali, il rilevamento, l'optoelettronica e l'informatica neuromorfica.

I ferroelettrici convenzionali possono essere realizzati in ceramica o polimeri, ma anche i ferroelettrici a base polimerica non sono molto elastici. Questo perché contengono regioni cristalline rigide.

I ricercatori guidati da Run-Wei Li hanno ora risolto questo problema aggiungendo una sostanza chimica reticolante, l’ossido di polietilene a catena morbida e lunga, al polimero ferroelettrico poli(fluoruro di vinilidene-trifluoroetilene).

"La reticolazione è un modo generale per conferire resilienza ai polimeri plastici in cui l'intervallo di densità di reticolazione è compreso tra 1 e 10% (ovvero, da una a dieci unità ripetute reticolate in ogni cento unità ripetute nelle catene polimeriche)", spiega Ben, membro del team di studio. -Lin Hu.

All'estremità più alta di questo intervallo, tuttavia, Hu aggiunge che la cristallinità della miscela diminuisce drasticamente, indebolendo la risposta ferroelettrica del materiale. La densità di reticolazione necessaria per produrre materiali ferroelettrici elastici è quindi molto inferiore, portando i ricercatori a chiamarla “leggera reticolazione”.

Quando i ricercatori del NIMTE hanno limitato la densità del reticolante solo all'1-2%, hanno scoperto che una struttura cristallina della fase beta era uniformemente dispersa nella rete polimerica reticolata. Questa nuova rete polimerica reticolata può distribuire e sopportare uniformemente le forze esterne, affermano i ricercatori, mitigando i danni alle regioni cristalline e creando un nuovo materiale ferroelettrico che combina elasticità con cristallinità relativamente elevata. Infatti, il film reticolato conserva la sua ferroelettricità anche sotto sollecitazioni del 70% grazie alla sua migliorata elasticità.

Gli antiferroelettrici più sottili diventano ferroelettrici

Il nuovo ferroelettrico elastico potrebbe essere utilizzato nell’elettronica indossabile/impiantabile, come sensori e assistenza sanitaria intelligente, nonché nell’archiviazione di informazioni e nella trasduzione di energia, afferma Hu. I ferroelettrici elastici hanno anche alcune proprietà esotiche che potrebbero essere utili per strutture come elastomeri con una costante dielettrica gigante (>1000), valvole di rotazione con un grande effetto di accoppiamento magnetoelettrico e condensatori dielettrici che hanno densità di energia pari a quelle delle batterie agli ioni di litio, ma con tempi di carica e scarica dell'ordine di pochi microsecondi.

I ricercatori affermano che ora intendono ottimizzare le proprietà dei loro ferroelettrici elastici e si concentreranno principalmente su materiali con elevate costanti dielettriche e piezoelettriche. "Questi potrebbero essere utilizzati nell'immagazzinamento e nella trasduzione dell'energia, nel rilevamento e nella memoria delle informazioni", dice Hu a Physics World.

Descrivono in dettaglio il loro lavoro attuale in Science.