ولتاژی که از خم‌شدن ماده‌ای انعطاف‌پذیر تولید می‌شود معمولاً کوچک است اما یک حقه‌ی تازه این اثر را به شکل قابل ملاحظه‌ای افزایش داده است.

مواد فلکسوالکتریک (Flexoelectric ) وقتی خم می‌شوند ولتاژی را ایجاد می‌کنند؛ ویژگی که می‌تواند در مهندسی حس‌گرهای ظریف یا در قطعات تولید انرژی مثل لباس‌هایی که برای ایجاد الکتریسیته در هنگام راه رفتن ساخته می‌شوند، مفید باشد. اکنون پژوهش‌گران نشان داده‌اند که اضافه‌کردن یک لایه‌ی بار به وسط یک میله‌ی پلیمریِ انعطاف‌پذیر می‌تواند این اثر را تا ۱۰۰ برابر ارتقاء دهد. به گفته‌ی این تیمِ پژوهشی می‌توان با توسعه‌ی بیشتر، از این اثر در قطعات واقعی در ۵ سال آتی استفاده کرد.

بسیاری از مواد معمولی مثل بلورها و پلیمرها از خود اثر فلکسوالکتریک نشان می‌دهند. خم‌کردن یک ماده سبب می‌شود تا هرلایه‌ی اتمی به مقدار متفاوتی کشیده شده و لایه‌ی بیرونی آن بیشتر کشیده شود. این تغییر در کشیدگی (گرادیان تنشی) عدم‌تقارنی را در موقعیت‌ یون‌های ماده ایجاد می‌کند و می‌تواند از خنثی‌شدن کامل بارهای مثبت و منفی جلوگیری کند یا به عبارت دیگر می‌تواند موجب قطبیدگی ماده شود. این قطبیدگی به میدان الکتریکی خالص و در نتیجه به یک ولتاژ منجر می‌شوند.

سرامیک‌ها قوی‌ترین اثر را نشان می‌ دهند که به صورت ضریب فلکسوالکتریک بالا بازتاب پیدا کرده است؛ پارامتری که نشان می‌دهد چه مقدار ولتاژ به ازای خم‌شدگی معینی تولید می‌شود. با این حال سرامیک‌ها شکننده بوده و حتی به ازای تغییرات کوچک شکسته می‌شوند. بنابراین پژوهش‌گران در تلاش بوده‌اند تا از این اثر در قطعات عملی که عمدتاً بر لایه‌های نازکی از ضخامت‌های نانو تمرکز داشته بهره برداری کنند؛ موادی که خم‌کردن آنها آسان‌تر از نمونه‌های ضخیم است.

برای تولید این اثر در نمونه‌های بزرگ‌مقیاس می‌توان از مواد انعطاف‌پذیرتری مثل پلیمرها استفاده کرد، هرچند اثر فلکسوالکتریکِ ذاتی آن‌ها کوچک است. اما اکنون تیمی از محققان از دانشگاه خیان جیان‌تونگِ (Xi'an Jiaotong ) چین نشان داده‌اند که چگونه می‌توان این اثر را در یک میله‌ی پلیمری، صرفاً با جاسازی یک لایه‌ی بار الکتریکی دائمی در داخل پلیمر، ارتقاء داد.

توان باتری ناشی از خم‌شدگی. اضافه کردن یک لایه‌ی بار به لاستیک سیلیکونی به طور قابل ملاحظه‌ای قابلیت آن را برا تولید ولتاژی در پاسخ به این خم‌شدگی افزایش می‌دهد که می‌تواند بزودی به ساخت قطعات عملی منجر شود. خم‌کردن یک ماده خطوط میدان الکتریکی را در نیمه‌ی بالایی فشرده کرده و میدان الکتریکی را در آنجا افزایش می‌دهد (پیکان‌ها) درحالی‌که طوط میدان در نیمه‌ی پایینی گسترده شده و کاهش می‌یابند.

کوان دنگ (Qian Deng) رهبر این تیم پژوهشی و همکارانش با یک میله‌ به درازای ۱۰ سانتی‌متر از پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان (PDMS که نوعی لاستیک سیلیکونی است) و به پهنای ۱۵ میلی‌متر و ضخامت ۱۰ میلی‌متر آزمایش خود را به انجام رسانیده‌اند. این تیم لایه‌ی نازکی از پلیمر باردار منفی را درون صفحه‌ی مرکزی در طول میله جاسازی کرده‌اند. این لایه‌ی بار یک میدان الکتریکی تولید می‌کند که ولتاژی را در سطوح بالا و پایین صفحه‌ی مرکزی ایجاد می‌کند.

سپس محققان ضریب فلکسوالکتریک را به ازای مقادیر متفاوتی از بارِ جاسازی شده اندازه گرفته‌اند. در هر آزمایش که میله‌ به شکل افقی از هر دو انتها پشتیبانی می‌شود، نیروی روبه‌پایین کنترل‌شده‌ای را به مرکز اعمال کرده‌اند تا میله تغییر شکل دهد و سپس ولتاژ سطح تغییر یافته راثبت کرده‌اند.

ضریب فلکسوالکتریک، متناسب با بار جاسازی‌شده رشد کرده است. با باری که برای تولید ۵ کیلووات بر روی سطح پلیمرکافی بوده، این ضریب صدبرابر بزرگ‌تر از PDMS بدون هیچ بار جاسازی شده بوده است. به گفته‌ی این محققان این فناوری کارگر افتاده چون وقتی میله خم می‌شود، خطوط میدان عمودی ناشی از لایه‌ی بار گسترده‌تر شده است. این خطوط زیر صفحه‌ی مرکزی توسعه یافته و در بالای آن متراکم می‌شوند. این عدم‌تقارن به قطبشی قوی منجر می‌شود که به عنوان ولتاژی از بالا به پایین در طول میله قابل اندازه‌گیری است. نتایج این آزمایش با محاسبات تیم توافق خوبی دارد.

به گفته‌ی دنگ: «ایده‌ی پایه آن است که بار، موجب ایجاد یک میدان الکتریکی اولیه در ماده می‌شود در هر دو سو متقارن است. خم‌کردن این تقارن را شکسته و یک قطبش الکتریکی خالص در طول لایه وجود خواهد داشت».

گوستاوو کاتالان (Gustau Catalán) از موسسه‌ی علوم نانو و نانوفناوری در بارسلونای اسپانیا که در زمینه‌ی علوم نانو تخصص دارد، می‌گوید: «اثری که این پژوهش‌گران آن را مشاهده کرده‌اند یک اثر اساسی است». به زعم او این نتایج پیامدهای گسترده‌ای می‌تواند داشته باشد. «این کار درخواستی فراتر از فلکسوالکتریک دارد و می‌تواند موجب برانگیخته‌شدن پژوهش‌های بسیاری باشد جهت جست‌‌وجوی اثرات مشابه در سیستم‌هایی که بدواً به منظور کاوش اثر فلکسوالکتریک ساخته نشده‌اند».

دنگ و همکارانش معتقدند بزودی این اثر کاربردهایی را در قطعات عملی خواهند یافت. اگرچه بر اساس گفته‌ی خین ون عضوی از این تیم، یک چالش اساسی که باید آموخته شود آن است که چگونه می‌توان از اتلاف بارهای جاسازی‌شده در این لایه جلوگیری کرد چون اینب بارها به آرامی نشت پیدا می‌کنند.

ون در مورد استفاده‌های تجاری انتظار دارد این قطعات عملی «در طی پنج سال آینده» گستره‌ی وسیعی از متخصصانی را به همراه داشته باشد که در این حوزه وارد می‌شوند. به پیشنهاد وی این اثر در ساخت قطعاتی همچون حس‌گرها، قطعات دروکننده‌ی انرژی و محرک‌ها مفید خواهد بود.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسیده است.

منبع:

More Voltage from Bending Silicone Rubber