Un aumento de 10 veces en la capacidad de cosechar energía mecánica y térmica sobre compuestos piezoeléctricos estándar puede ser posible usando una espuma cerámica piezoeléctrica sostenida por un soporte de polímero flexible, de acuerdo con los investigadores de Penn State.

En la búsqueda de formas de cosechar pequeñas cantidades de energía para ejecutar dispositivos electrónicos móviles o sensores para la monitorización de la salud, los investigadores suelen agregar nanopartículas cerámicas duras o nanohilos a un soporte de polímero suave y flexible . El polímero proporciona la flexibilidad, mientras que las piezo nanopartículas convierten la energía mecánica en voltaje eléctrico.

Pero estos materiales son relativamente ineficaces, ya que tras la carga mecánica, la mayor parte del polímero absorbe la energía mecánica, transfiriéndose una fracción muy pequeña a las piezo nanopartículas. Si bien agregar más cerámica aumentaría la eficiencia energética, viene con el intercambio de menos flexibilidad.

"Las cerámicas duras en el polímero blando son como piedras en el agua", dijo Qing Wang, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State. "Puedes golpear la superficie del agua, pero se transfiere poca fuerza a las piedras. Llamamos a esa capacidad de transferencia de tensión".

Hace casi tres décadas

el difunto científico de materiales de Penn State, Bob Newnham, propuso el concepto de que la conectividad del relleno piezoeléctrico determinaba la eficacia del efecto piezoeléctrico.

Un material tridimensional sería más eficiente que lo que clasificó como nanopartículas de dimensión cero, nanohilos unidimensionales o películas bidimensionales, porque la energía mecánica se transportaría directamente a través del material tridimensional en lugar de disiparse en la matriz polimérica.

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"Bob Newnham era una leyenda en el campo de la piezoelectricidad", dijo Wang. "por lo que todos en la comunidad cerámica sabían de 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 hoja 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 hoja se quema y la solución se cristaliza en una espuma de microforma 3-D sólida con orificios 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 una cosechadora de energía piroeléctrica si hay un gradiente de temperatura de al menos unos pocos grados".

Sulin Zhang, profesor de ciencia y mecánica de ingeniería, Penn State es el otro autor correspondiente en el documento que aparece en Energy and Environmental Science . Zhang y sus estudiantes fueron responsables de un extenso trabajo computacional que simula el rendimiento piezoeléctrico del compuesto 3-D.

"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 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 3D.

Nuestras extensas simulaciones demuestran aún más esta idea".

Actualmente

Wang y sus colaboradores están trabajando con alternativas libres de plomo y más respetuosas con el medio ambiente a la cerámica actual de plomo-zirconio-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". Autores adicionales en el artículo, "Compuestos piezoeléctricos de espuma cerámicos piezoeléctricos tridimensionales flexibles para la recolección de energía mecánica y térmica simultánea 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; y Peng Zhao, un estudiante de doctorado en el grupo de Zhang.

Otros colaboradores son Xiaoshin Zhang, Kuo Han, Tiankai Zhao, Yong Zhang, Chang Kyu Jeong y Shenglin Jiang.

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