Polimer Piezoelektrik

Tim peneliti interdisipliner yang dipimpin Penn State telah mengembangkan polimer dengan efektivitas piezoelektrik yang kuat, menghasilkan pembangkitan listrik 60% lebih efisien daripada iterasi sebelumnya.

Bahan piezoelektrik mengubah tegangan mekanik menjadi listrik, atau sebaliknya, dan dapat berguna dalam sensor, aktuator, dan banyak aplikasi lainnya. Tetapi menerapkan piezoelektrik dalam polimer — bahan yang terdiri dari rantai molekul dan biasa digunakan dalam plastik, obat-obatan, dan banyak lagi — bisa jadi sulit, menurut Qiming Zhang, Profesor Teknik Elektro Terkemuka.

"Secara historis, kopling elektromekanis polimer sangat rendah," kata Zhang. “Kami mulai meningkatkan ini karena kelembutan relatif polimer menjadikannya kandidat yang sangat baik untuk sensor dan aktuator lunak di berbagai bidang, termasuk biosensing, sonar, otot buatan, dan banyak lagi.”

Untuk membuat bahan, para peneliti sengaja memasukkan pengotor kimia ke dalam polimer. Proses ini, yang dikenal sebagai doping, memungkinkan peneliti untuk menyetel sifat-sifat bahan untuk menghasilkan efek yang diinginkan - asalkan mereka mengintegrasikan jumlah pengotor yang benar. Menambahkan terlalu sedikit dopan dapat mencegah timbulnya efek yang diinginkan, sementara menambahkan terlalu banyak dapat menimbulkan sifat yang tidak diinginkan yang menghambat fungsi material.

Doping mendistorsi jarak antara muatan positif dan negatif dalam komponen struktural polimer. Distorsi ini memisahkan muatan yang berlawanan, memungkinkan komponen untuk mengakumulasi muatan listrik eksternal dengan lebih efisien. Akumulasi ini meningkatkan transfer listrik dalam polimer ketika berubah bentuk, kata Zhang.

Untuk meningkatkan efek doping dan memastikan keselarasan rantai molekul, para peneliti meregangkan polimer. Penyelarasan ini, menurut Zhang, lebih mendorong respons elektromekanis daripada dari polimer dengan rantai yang disejajarkan secara acak.

“Efisiensi pembangkit listrik polimer sangat meningkat,” kata Zhang. “Dengan proses ini, kami mencapai efisiensi 70% — peningkatan besar dari efisiensi 10% sebelumnya.”

Kinerja elektromekanis yang kuat ini, yang lebih umum pada bahan keramik kaku, dapat memungkinkan berbagai aplikasi untuk polimer fleksibel.

Karena polimer menunjukkan ketahanan terhadap gelombang suara yang serupa dengan air dan jaringan manusia, polimer ini dapat diterapkan untuk digunakan dalam pencitraan medis, hidrofon bawah air, atau sensor tekanan.

Polimer juga cenderung lebih ringan dan dapat dikonfigurasi daripada keramik, sehingga polimer ini dapat memberikan peluang untuk mengeksplorasi peningkatan dalam pencitraan, robotika, dan lainnya, kata Zhang.