近日,南洋理工大學的研究人員開發了一種新材料,當向其施加電能時,其彎曲能力比競爭對手高40倍,從而爲更好的微型機器開辟了道路。
Fan Hong Jin 教授 (左) PhD Hu Yuzhong(右)
新型材料賦能微型機器
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近日,南洋理工大學物理與數學科學學院(School of Physical & Mathematical Sciences)的研究團隊開發出了一種新型柔性材料,該材料在保證其性能的前提下提高了材料柔韌性,爲微型機器的發展提供了支持。
NTU物理與數學科學學院
新型材料彎曲能力卓群
這種新材料相比過去的材料,彎曲能力更強,未來可能被應用于微型機器領域。
當材料彎曲時,它可以非常有效地發電,並且可以用于更好的“能量收集”。這意味這種材料可能能夠僅通過日常運動爲小工具中的電池充電。
新型材料既是電致伸縮的又是壓電的。電致伸縮性是指,當施加電流時它可以改變形狀,而壓電則意味著該材料可以將壓力轉換成電荷。當施加電場時,構成電致伸縮材料的原子移動,從而導致材料變形和彎曲。當壓電材料被壓縮時,壓力被轉換爲電荷,這些電荷積聚在材料中。
科學家發現,當施加電場時,這種新的混合材料可能會變形至22%,這是迄今爲止壓電材料中最高的應變。這種變形比率遠遠超過了傳統的壓電材料,當電流通過時,壓電材料的變形率最高僅爲0.5%。另外,新材料還比其他壓電和電致伸縮材料更節能。
壓電材料通常用于吉他,揚聲器,傳感器和電動機。例如,壓電拾音器是一種用于電吉他中的設備,用于將琴弦上的振動轉換成電信號,然後將其處理以進行音樂錄制或通過揚聲器進行放大。
壓電材料
鐵晶體管最早于1920年被發現,因爲其易于集成到電子設備中,所以已被用于制造壓電材料超過70年。然而,鐵晶體管易碎且不易彎曲,只能彎曲0.5%,這極大地限制了它們在電子設備中的應用,例如執行器(將電控制信號轉換爲機械運動的部件,例如打開和關閉的閥門)。
除此之外,一些鐵電體還包含有毒的鉛,並且其生成的電子廢物難以回收。傳統的鐵電體(例如鈣钛礦氧化物)也不適合于需要和皮膚接觸的柔性電子設備,比如跟蹤心律的可穿戴生物醫學設備。
上個月在科學期刊《Nature Materials》上發表的這種新材料很好的解決了以上的問題。這是由南洋理工大學物理與數學科學學院的Fan Hong Jin教授及其團隊發現的,其中包括他的博士生Hu Yuzhong,他是本文的第一作者。團隊的成員還包括來自中國南方科技大學的Junling Wang教授,他曾是南洋理工大學材料科學與工程學院的教授。
Fan Hong Jin 教授 與 Hu Yuzhong
範教授說:“這種新型鐵電材料的柔韌性是同類電致伸縮材料的40倍以上,可用于許多高效裝置,例如在施加電場時會彎曲的致動器和傳感器。憑借其卓越的壓電性能,該材料還可以用于彎曲時會收集能量的機械設備中,這將有助于爲可穿戴設備充電。“
“我們認爲,通過進一步優化其化學成分,我們可以在未來大幅改善此性能。並且,這種材料可能在物聯網(IOT)的可穿戴設備的開發中發揮關鍵作用,這是推動第四次工業革命的技術關鍵之一。”
開發柔性鐵電材料
爲了開發一種柔性鐵電材料,研究人員修改了混合鐵電化合物C6H5N(CH3)3CdCl3或簡稱PCCF的化學結構,其彎曲能力可能是傳統鐵電化合物的一百倍。
爲了進一步擴大材料的移動範圍,科學家們通過將化合物的某些氯(Cl)原子替換爲大小與氯相似的溴(Br)來修飾該化合物的化學組成,以在結構上削弱該化合物在特定點的化學鍵。這使材料更加柔軟而不影響其壓電性能。
這種新材料易于制造,僅需要基于溶液的處理,隨著液體的蒸發,晶體就會形成,這與典型的鐵晶體管不同,後者需要使用高功率的激光和能量來形成。當對新的PCCF化合物施加電場時,其中的原子位移遠比大多數常規鐵電體中的原子位移大得多,其應變比常規壓電材料高出22%。
參考文獻:
1. Hu, Y., You, L., Xu, B. et al. Ferroelastic-switching-driven large shear strain and piezoelectricity in a hybrid ferroelectric. Nat. Mater. (2021).
2. NTU Singapore researchers develop flexible crystals, paving the way for more efficient bendable electronics. NTU news release.
* 本文圖片來源:NTU官網,Nature Materials,壓電材料制造商官網