Şaşırtıcı Özelliklere Sahip Olan İki Fazlı Malzeme

    Fotoğraf: Mikroskopik Polimer Yapıları

Mikro yapı ve makroskopik elektro-mekanik özellikler,  sözde ferroelektrik polimerlerle yakından bağlantılıdır. Bu bağlantının yüksek sıcaklıkla ilişkisine dair  açıklama  TU Wien’de bulunmuştur.

Bazı malzemelerde , elektriksel ve mekanik etkiler birbiriyle bağlantılıdır: Örneğin, malzemeye bir elektrik alan uygulandığında şeklini değiştirebilir veya tam tersine, malzeme deforme olduğunda bir elektrik alan oluşturulabilir. Bu tür elektromekanik olarak aktif malzemeler birçok teknik uygulama için çok önemlidir.

Genellikle, bu tür malzemeler sert ve kırılgan olan özel, inorganik kristallerdir. Bu yüzden, sözde ferroelektrik polimerler şimdi kullanılmaktadır. Polimer zincirleri aynı anda iki farklı mikroyapıda var olması ile karakterize edilirler : Bazı alanlar güçlü bir şekilde sıralanırken (kristal), düzensiz (amorf) alanlar ise aralarında oluşur. Bu yarı kristal kompozitler elektromekanik olarak aktiftirler ve bu nedenle elektriksel ve mekanik etkileri birleştirirler, aynı zamanda da  esnek ve yumuşaktırlar. TU Wien’de, bu tür malzemeler şaşırtıcı sonuçlarla ayrıntılı olarak incelenmiştir: Belirli bir sıcaklığın üzerine çıkıldıkça , özellikler çarpıcı biçimde değişmektedir. Tu Wien’den bir araştırma ekibi, Madrid ve Londra’daki araştırma gruplarıyla birlikte  bunun neden olduğunu açıklayabilmektedir.

Mikro Sensörlerden Akıllı Tekstillere

TU Wien’deki Sensör ve Aktüatör Sistemleri Enstitüsü’nden Prof. Ulrich Schmid, “Bir malzemenin mekanik davranışını elektrik alanlarının yardımıyla kontrol edebiliyorsanız, onu küçük sensörler oluşturmak için kullanabilirsiniz” demektedir. “Bu, bir yüzeyi taramak ve bir görüntü oluşturmak için titreşime küçük bir uç koyduğunuz da atomik kuvvet mikroskopları için de ilginçtir.”

Bu tür elektromekanik özellikler sadece sert malzemelerde değil, aynı zamanda esnek ve yumuşak malzemelerde de olabilirse, uygulama alanı önemli ölçüde genişleyebilir. Öte yandan, esnek malzemeler, küçük sensörlerin yapımında kullanılabilecek tamamen farklı bir titreşim davranışına sahiptir. Aynı zamanda, bu tür malzemeler akıllı tekstillerde, esnek enerji depolamada  veya entegre enerji hasadı gibi tamamen yeni olanaklara da yol açmaktadır.

Jonas Hafner tezinin bir parçası olarak şöyle bir açıklama yapmaktadır; ‘’Katılar kristal olabilir, bu durumda atomlar düzenli bir örgü içindedir veya amorf da olabilirler, bu durumda da atomlar  bireysel olarak  rastgele dağılırlar. İncelediğimiz materyalle ilgili özel olan ise , her ikisi de aynı anda olabileceğidir yani kristal bölgeler oluşur ve malzeme bu arada amorf olur.”

Kristaller malzemenin elektromekanik özelliklerinden sorumludur. Amorf  matris, küçük kristalleri bir arada tutar ve genel olarak çok yumuşak, esnek bir malzeme oluşturur.

Çok Fazla Isı

Bu tür materyalleri daha da geliştirebilmek için, araştırma ekibi ilk önce Temel Fiziksel özelliklerini araştırdı. Araştırmaları sırasında şaşırtıcı bir olayla karşılaştılar: Kristal ve Amorf alanların bir kombinasyonundan oluşan ferroelektrik polimerler, mikroskobik bileşimlerini belirli bir sıcaklıkta değiştirdiler ve bu sayede  makroskopik elektromekanik davranış üzerinde şaşırtıcı bir etki ortaya çıktı.

Normalde , bir malzemenin elektromekanik özellikleri sadece çok yüksek sıcaklıkta atom seviyesinde bu kadar büyük salınımlara neden olduğunda kaybolur, bu nedenle  malzemedeki elektrik düzen tamamen kaybolur. Bu kritik sıcaklığa “Curie sıcaklığı”denir. Ancak şu anda incelenen materyal durumunda, işler daha karmaşıktır: “Bizim durumumuzda, küçük kristallerin elektromekanik özellikleri olduğu gibi  kalır. Mikroskobik olarak, kristaller elektroaktiftirler, ancak makroskopik düzeyde  bu elektroaktif davranış kaybolur ” demektedir Jonas Hafner.

Kristaller Arasındaki Temas Kayboldu

Ekip, bu etkinin nasıl gerçekleştiğini açıklayabildi: Sıcaklık yükseldikçe, polimerin amorf alanlarının oranı artmakta  ve belirli bir noktada ki  küçük kristaller birbirleri arasında ki  doğrudan teması kaybetmekedir. Bu, mekanik kuvvetlerin artık küçük kristallerin birinden diğerine aktarılamayacağı anlamına gelir, çünkü hepsi tamamen bastırılmış amorf matrisine gömülür. Bu olay , malzemenin mekanik ve elektromekanik davranışını önemli ölçüde değiştirir.

‘’Ancak bu temel etkileri anlarsak, mikroskobik ve makroskopik özelliklerin bu tür malzemelerde nasıl ilişkili olduğunu açıklayabiliriz” demekte Ulrich Schmid. “Daha sonra bu tür malzemeleri kullanan çok sayıda proje ile çalışıyoruz – atomik kuvvet mikroskoplarında, sensörlerde, çiplerde. Bu heyecan verici malzeme için çok sayıda potansiyel uygulama bulunmaktadır.”

Kaynak: chemeurope.com