Un aumento de 10 veces en la capacidad de recolectar energía mecánica y térmica sobre compuestos piezoeléctricos estándar puede ser posible usando una espuma cerámica piezoeléctrica apoyada en un soporte de polímero flexible, según los investigadores de Penn State.
En la búsqueda de formas de recolectar pequeñas cantidades de energía para hacer funcionar dispositivos electrónicos móviles o sensores para el monitoreo de la salud, los investigadores generalmente agregan nanopartículas de cerámica dura o nanocables a un soporte de polímero suave y flexible.convierte la energía mecánica en voltaje eléctrico. Pero estos materiales son relativamente ineficientes, porque al cargarlos mecánicamente, la energía mecánica es absorbida en gran parte por la mayor parte del polímero, con una fracción muy pequeña transferida a las nanopartículas piezoeléctricas.eficiencia energética, viene con el compromiso de menos flexibilidad.
"La cerámica dura en el polímero blando es como las piedras en el agua", dijo Qing Wang, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, Penn State. "Puede golpear la superficie del agua, pero se transfiere poca fuerza a las piedras.Llamamos a eso capacidad de transferencia de tensión ".
Hace casi tres décadas, el fallecido científico de materiales de Penn State Bob Newnham se le ocurrió el concepto de que la conectividad del relleno piezoeléctrico determinaba la eficiencia del efecto piezoeléctrico. Un material tridimensional sería más eficiente de lo que él clasificó como ceronanopartículas dimensionales, nanocables unidimensionales o películas bidimensionales, porque la energía mecánica se transportaría directamente a través del material tridimensional en lugar de disiparse en la matriz polimérica.
"Bob Newnham era una leyenda en el campo de la piezoeléctrica", dijo Wang. "Por lo tanto, todos en la comunidad cerámica conocían su enfoque, pero cómo lograr esa estructura tridimensional con una microestructura bien definida seguía siendo un misterio".
El ingrediente secreto para resolver el misterio resultó ser una lámina de espuma de poliuretano barata que se puede comprar en cualquier tienda de mejoras para el hogar. Las pequeñas protuberancias uniformes en la lámina actúan como una plantilla para formar la microestructura de la cerámica piezoeléctrica.Los investigadores aplicaron la cerámica a la lámina de poliuretano en forma de nanopartículas suspendidas en solución. Cuando la plantilla y la solución se calientan a una temperatura lo suficientemente alta, la lámina se quema y la solución cristaliza en una espuma sólida de microforma 3-D con agujeros uniformes.Luego llenan los agujeros en la espuma de cerámica con polímero.
"Vemos que este compuesto 3-D tiene una producción de energía mucho más alta en diferentes modos", dijo Wang. "Podemos estirarlo, doblarlo, presionarlo. Y al mismo tiempo, puede usarse como piroeléctricorecolector de energía si hay un gradiente de temperatura de al menos unos pocos grados "
Sulin Zhang, profesor de ingeniería, ingeniería y mecánica, Penn State es el otro autor correspondiente en el artículo que aparece en Energía y Ciencias del Medio Ambiente . Zhang y sus alumnos fueron responsables de un extenso trabajo computacional que simula el rendimiento piezoeléctrico del compuesto tridimensional.
"Pudimos demostrar teóricamente que el rendimiento piezoeléctrico de los compuestos de nanopartículas / nanocables está críticamente limitado por la gran disparidad en la rigidez de la matriz polimérica y las piezocerámicas, pero la espuma compuesta en 3-D no está limitada por la rigidez", dijo Zhang"Esta es la diferencia fundamental entre estos materiales compuestos, que habla de la innovación de este nuevo compuesto 3-D. Nuestras extensas simulaciones demuestran aún más esta idea".
Actualmente, Wang y sus colaboradores están trabajando con alternativas sin plomo y más amigables con el medio ambiente a la cerámica actual de plomo-circonio-titanato.
"Este es un método muy general", dijo Wang. "Esto es para demostrar el concepto, basado en el trabajo de Bob Newnham. Es bueno continuar el trabajo de una leyenda de Penn State y avanzar en este campo".el artículo, "Compuestos de espuma de cerámica piezoeléctrica interconectados tridimensionales flexibles para una recolección de energía térmica y mecánica concurrente altamente eficiente", son coautores principales, Guangzu Zhang, anteriormente en el grupo de Wang y ahora en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong, China, yPeng Zhao, estudiante de doctorado en el grupo de Zhang. Otros contribuyentes son Xiaoshin Zhang, Kuo Han, Tiankai Zhao, Yong Zhang, Chang Kyu Jeong y Shenglin Jiang.
El apoyo para este trabajo fue proporcionado por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., La Fundación Nacional de Ciencias de China y el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo Clave de China.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Estado Penn . Original escrito por Walt Mills. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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