«Для нескольких прошлых лет мы делали большую работу с материалом под названием PVDF – polyvinylidene фторид», объясняет Уолтер Войт, доктор философии, Техасского университета в Далласе (UT Даллас). «Если мы производим его при точных условиях, мы можем сделать его пьезоэлектрическим, что означает, протягиваю ли я его, это производит электричество. Или я могу поместить электричество на поверхность материала и заставить его изменить форму».PVDF и другие материалы с подобными чертами уже превратили их путь в современную технологию в форме датчиков давления в тачпадах и датчиков наклона в электронике, например.
Но их потенциал, если их пьезоэлектрические свойства получают значительное повышение, мог бы пойти далеко вне этих приложений первого поколения.В сотрудничестве с Шэшэнком Прией, доктором философии, в Политехническом институте и университете штата Вирджиния, Voit уже сделал новые успехи к этой цели. Они приложили усилия, чтобы развиваться «мягкий» основанный на полимере, материалы сбора и преобразования побочной энергии как часть Центра Материалов Сбора и преобразования побочной энергии и Систем, программы Национального научного фонда (NSF), сосредоточенной на развитии технологий контроля движения и энергетического захвата.
Кэри Бор, докторант в лаборатории Войта, выяснил способ включить органические наноструктуры, известные как «бакиболы» и одностенные углеродные нанотрубки в волокна PVDF, чтобы удвоить его пьезоэлектрическую работу. Бакиболы – крошечные сферы, сделанные из атомов углерода. У них и их цилиндрических родственников есть интересные свойства, которые ученые используют во множестве путей.В случае материалов Войта углеродные наноструктуры выравниваются и увеличивают общую силу электрической области.
В результате PVDF-углеродные гибриды – лучшие пьезоэлектрические соединения, о которых сообщили до настоящего времени в научной литературе, говорит Войт.Чтобы превратить эти подобные пряже структуры в искусственные мышцы – всеобъемлющее название материалов, которые могут сократиться или расслабиться в ответ на электрический ток или температуру – Voit, должно сделать их более сильными.
Один подход для выполнения этого был развит UT Далласский коллега. Рэй Богмен, доктор философии, взял связку нейлоновых волокон о ширине десяти прядей человеческих волос, и раньте их в длинную, трудную катушку, точно так же, как старомодный телефонный шнур, но в намного меньшем масштабе. Та структура могла сократиться почти на 50 процентов, когда нагрето и подниматься приблизительно на 16 фунтов.
«Эффект подобен скручиванию круглой резинки», говорит Войт. «Если Вы надеваете его, когда это намотано, Вы получаете намного больше напряжения на круглую резинку, чем если бы это просто прямое».Voit надеется создавать подобный эффект для его PVDF-углеволокон, которые являются намного лучшими пьезоэлектрическими материалами, чем нейлон и сократились бы в ответ на электрический ток. «Мы должны намотать его», говорит он. «У нас должны быть правильные пьезоэлектрические свойства после того, как это будет в той сложной форме. Это – реальный секретный соус, что мы думаем, что можем осуществить. В конечном счете это могло использоваться, чтобы нарастить синтетические мышцы, которые могли сделать протезы более как живыми».
Другое потенциальное использование для материалов Войта, которое вызвало коммерческий интерес, для сбора и преобразования побочной энергии, говорит он. Боинг, который финансировал часть его исследования, интересуется использованием энергии, произведенной от пассажиров самолета, как они сидят, встают и приспосабливаются на их местах, чтобы привести некоторые в действие функции самолета, такие как верхние огни в каютах. Войт говорит, что это позволило бы авиакомпании устранять некоторые кабели, которые могут значительно добавить к весу их самолетов и экономить на топливе.
«Теперь мы находим способы сделать это более processable в более широких масштабах, чтобы позволить более крупные аппараты сбора и преобразования побочной энергии и практические искусственные мышцы», говорит Войт.