Um novo polímero ferroelétrico que converte eficientemente energia elétrica em tensão mecânica foi desenvolvido por pesquisadores da Penn State. Este material, mostrando potencial para uso em dispositivos médicos e robótica, supera as limitações piezoelétricas tradicionais. Os pesquisadores melhoraram o desempenho criando um nanocompósito de polímero, reduzindo significativamente a força do campo de condução necessária, expandindo as aplicações potenciais.
Um novo tipo de polímero ferroelétrico que é excepcionalmente bom em converter energia elétrica em tensão mecânica é promissor como um controlador de movimento de alto desempenho ou “atuador” com grande potencial para aplicações em dispositivos médicos, robótica avançada e sistemas de posicionamento de precisão, de acordo com um equipe de pesquisadores internacionais liderada pela Penn State.
A tensão mecânica, como um material muda de forma quando a força é aplicada, é uma propriedade importante para um atuador, que é qualquer material que mudará ou se deformará quando uma força externa, como energia elétrica, for aplicada. Tradicionalmente, esses materiais de atuadores eram rígidos, mas atuadores macios, como polímeros ferroelétricos, exibem maior flexibilidade e adaptabilidade ambiental.
A pesquisa demonstrou o potencial dos nanocompósitos de polímeros ferroelétricos para superar as limitações dos compósitos de polímeros piezoelétricos tradicionais, oferecendo um caminho promissor para o desenvolvimento de atuadores macios com melhor desempenho de deformação e densidade de energia mecânica. Atuadores macios são especialmente de interesse para pesquisadores de robótica devido à sua força, potência e flexibilidade.
“Potencialmente, agora podemos ter um tipo de robótica leve que chamamos de músculo artificial”, disse Qing Wang, professor de ciência e engenharia de materiais da Penn State e co-autor correspondente do estudo publicado recentemente na revista Nature Materials. “Isso nos permitiria ter matéria mole que pode suportar uma carga alta, além de uma grande tensão. Portanto, esse material seria mais uma imitação do músculo humano, algo próximo ao músculo humano”.
No entanto, existem alguns obstáculos a serem superados antes que esses materiais possam cumprir sua promessa, e possíveis soluções para esses obstáculos foram propostas no estudo. Os ferroelétricos são uma classe de materiais que demonstram uma polarização elétrica espontânea quando uma carga elétrica externa é aplicada e cargas positivas e negativas nos materiais se dirigem para pólos diferentes. A tensão nesses materiais durante a transição de fase, neste caso a conversão de energia elétrica em energia mecânica, pode alterar completamente propriedades como sua forma, tornando-os úteis como atuadores.
“Potencialmente, agora podemos ter um tipo de robótica leve que chamamos de músculo artificial”.
– Qing Wang, professor de ciência e engenharia de materiais
Uma aplicação comum de um atuador ferroelétrico é uma impressora a jato de tinta, onde a carga elétrica altera a forma do atuador para controlar com precisão os minúsculos bicos que depositam tinta no papel para formar texto e imagens.
Embora muitos materiais ferroelétricos sejam cerâmicos, eles também podem ser polímeros, uma classe de materiais naturais e sintéticos feitos de muitas unidades semelhantes ligadas entre si. Por exemplo, o DNA é um polímero, assim como o nylon. Uma vantagem dos polímeros ferroelétricos é que eles exibem uma quantidade enorme de tensão induzida por campo elétrico necessária para a atuação. Essa tensão é muito maior do que a gerada por outros materiais ferroelétricos usados para atuadores, como a cerâmica.
Essa propriedade dos materiais ferroelétricos, juntamente com um alto nível de flexibilidade, custo reduzido em comparação com outros materiais ferroelétricos e baixo peso, desperta grande interesse de pesquisadores no crescente campo da robótica leve, o projeto de robôs com peças flexíveis e eletrônica.
“Neste estudo, propusemos soluções para dois grandes desafios no campo de atuação de materiais macios”, disse Wang. “Uma é como melhorar a força de materiais macios. Sabemos que os materiais de atuação suave que são polímeros têm a maior tensão, mas geram muito menos força em comparação com a cerâmica piezoelétrica.”
O segundo desafio é que um atuador de polímero ferroelétrico geralmente precisa de um campo de acionamento muito alto, que é uma força que impõe uma mudança no sistema, como a mudança de forma em um atuador. Nesse caso, o alto campo de acionamento é necessário para gerar a mudança de forma no polímero necessária para a reação ferroelétrica necessária para se tornar um atuador.
A solução proposta para melhorar o desempenho dos polímeros ferroelétricos foi desenvolver um nanocompósito percolativo de polímero ferroelétrico – uma espécie de adesivo microscópico preso ao polímero. Ao incorporar nanopartículas em um tipo de polímero, o fluoreto de polivinilideno, os pesquisadores criaram uma rede interconectada de pólos dentro do polímero.
“…este novo material pode ser usado para muitas aplicações que requerem um campo de condução baixo para serem eficazes, como dispositivos médicos, dispositivos ópticos e robótica leve.”
– Qing Wang, professor de ciência e engenharia de materiais
Essa rede permitiu que uma transição de fase ferroelétrica fosse induzida em campos elétricos muito mais baixos do que normalmente seria necessário. Isso foi alcançado por meio de um método eletrotérmico usando aquecimento Joule, que ocorre quando a corrente elétrica que passa por um condutor produz calor. Usar o aquecimento Joule para induzir a transição de fase no polímero nanocompósito resultou na necessidade de apenas menos de 10% da força de um campo elétrico normalmente necessário para a mudança de fase ferroelétrica.
“Normalmente, essa tensão e força em materiais ferroelétricos estão correlacionadas entre si, em uma relação inversa”, disse Wang. “Agora podemos integrá-los em um único material e desenvolvemos uma nova abordagem para acioná-lo usando o aquecimento Joule. Como o campo de acionamento será muito menor, menos de 10%, é por isso que esse novo material pode ser usado para muitas aplicações que exigem um campo de acionamento baixo para ser eficaz, como dispositivos médicos, dispositivos ópticos e robótica leve. “
Publicado em 10/07/2023 20h35
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