Bir Katı Hem Kristalik Hem Amorf Yapıda Olabilir mi?
Mikro yapıda bulunan ve makroskopik elektro-mekanik özellikler gösteren maddeler ferroelektrik polimerler olarak adlandırılır.
Bazı malzemelerde elektriksel ve mekanik etkiler yakından bağlantılıdır: örneğin, malzemeye elektrik alanı uygulandığında şekli değişebilir veya tersine malzeme deforme olduğunda bir elektrik alanı oluşturulabilir. Bu tür elektromekanik olarak aktif malzemeler teknik uygulama açısından çok önemlidir.
Genellikle bu tür malzemeler sert ve kırılgan inorganik kristallerdir. Polimerler zincirlerin aynı anda iki farklı mikro yapıda var olması ile karakterize edilirler: bazı alanlar düzenli bir şekilde sıralanır (kristal), düzensiz (amorf) alanlar ise rastgele dağılım gösterir. Yarı kristal kompozitler elektromekanik olarak aktiftir ve bu nedenle elektriksel ve mekanik etkiler gösterir, ancak aynı zamanda esnek ve yumuşaktırlar. TU Wien’de bu tür malzemeler ayrıntılı olarak incelenmiştir. Şaşırtıcı sonuçlar ise şu şekilde: belirli bir sıcaklığın üzerinde özellikler önemli ölçüde değişir. Tu Wien’den bir araştırma ekibi Madrid ve Londra’dan gelen araştırma gruplarıyla işbirliği içinde buna neyin neden olduğunu açıklayabildi.
Mikro Sensörler ile Akıllı Tekstiller
TU Wien’deki sensör ve aktüatör sistemleri Enstitüsü’nden Prof. Ulrich Schmid “Bir malzemenin mekanik davranışını elektrik alanı yardımıyla kontrol edebiliyorsanız bunu küçük sensörler oluşturmak için kullanabilirsiniz” diyor.
Bu tür elektromekanik özelliklerin sadece sert malzemelerde değil aynı zamanda esnek, yumuşak malzemelerde de indüklenmesi mümkün ise bu tür malzemelerin uygulama alanı önemli ölçüde genişletilebilir. Esnek malzemeler küçük sensörlerin yapımında kullanılabilecek farklı bir titreşim davranışına sahiptir. Öte yandan bu tür malzemeler akıllı tekstil eşyaları, enerji depolama veya entegre enerji hasadı gibi tamamen yeni girişimlere de olanak tanır.
Tezinin bir parçası olarak bu araştırma konusu üzerinde çalışan Jonas Hafner “Katılar kristal olabilir, bu durumda atomlar bir düzen içerisinde yerleşir veya amorf olabilirler, amorf atomlar rastgele dağılırlar” diye açıklıyor. “İncelediğimiz materyalle ilgili özel olan şey, her ikisinin de aynı anda olabileceğidir: bazı kısımlar kristalik bölgeler oluşturur ve malzeme arasında kalan boşluklar amorf olur.”
Kristaller malzemenin elektromekanik özelliklerinden sorumludur, amorf yapıda küçük kristaller bir arada tutulur ve genel olarak çok yumuşak, esnek bir malzeme oluşturur.
Yüksek Sıcaklık
Bu tür materyalleri daha da geliştirebilmek için araştırma ekibi ilk önce yapının temel fiziksel özellikleri üzerinde çalıştı. Araştırma sırasında şaşırtıcı bir fenomenle karşılaştılar: Kristal ve amorf alanların bir kombinasyonundan oluşan, mikroskobik bileşimlerini belirli bir sıcaklıkta değiştirebilen ferroelektrik polimerler.
Normalde bir malzemenin elektromekanik özellikleri sadece çok yüksek bir sıcaklıkta bu kadar büyük salınımlara neden olduğunda kaybolur ve malzemedeki elektrik düzeni tamamen kaybolur. Bu kritik sıcaklığa “Curie sıcaklığı” denir. Ancak şu anda incelenen materyalde işler daha karmaşıktır: “Bu yapıda, küçük kristallerin elektromekanik özellikleri değişmez. Mikroskobik olarak kristaller hala elektroaktif ancak makroskopik düzeyde bu elektroaktif davranış kaybolur” diyor Jonas Hafner.
Kristal Taneleri Arasındaki Temas Nasıl Kayboluyor?
Ekip bu etkinin nasıl gerçekleştiğini şu şekilde açıklayabildi: sıcaklık yükseldikçe polimerin amorf alanlarının oranı artar ve belirli bir noktadan sonra küçük kristaller birbirleri arasında doğrudan teması kaybeder. Bu, mekanik kuvvetlerin artık küçük kristallerde birinden diğerine aktarılamayacağı anlamına gelir ve malzemenin mekanik ve elektromekanik davranışını önemli ölçüde değiştirir.
Ulrich Schmid “Sadece bu temel etkileri anlayabilirsek, mikroskobik ve makroskopik özelliklerin bu tür malzemelerde nasıl ilişkilendiğini açıklayabiliriz” diyor.
Kaynak: chemeurope.com
