画期的圧電ポリマーがエネルギー変換効率を60%向上

ペンシルベニア州立大学主導の学際的研究チームが、堅牢な圧電効果を持つポリマーを開発し、従来比60%向上の電力生成効率を達成しました。

圧電材料は機械的応力を電気に、またはその逆を変換し、センサー、アクチュエーター、その他多くの応用で有用です。しかし、分子鎖で構成されプラスチックや医薬品などに広く用いられるポリマーに圧電特性を実装するのは困難だと、電気工学傑出教授チーミン・チャン氏は述べています。

「歴史的に、ポリマーの電気機械結合は非常に低かった」とチャン氏。「ポリマーの相対的な柔らかさが、バイオセンシング、ソナー、人工筋肉など多様な分野でソフトセンサーとアクチュエーターの優れた候補になるため、これを改善しようとしました。」

材料創製のため、研究者たちは意図的に化学的不純物をポリマーに導入しました。このドーピングプロセスにより、正しい量の不純物を統合すれば、材料特性を調整して望ましい効果を生成できます。ドーパントが少なすぎれば所望効果が起きず、多すぎれば材料機能を損なう望ましくない特性を導入します。

ドーピングにより、ポリマー構造成分内の正負電荷間の間隔が歪みます。この歪みが逆電荷を分離し、成分が外部電荷をより効率的に蓄積できるようにします。この蓄積が、ポリマー変形時の電気伝達を強化するとチャン氏。

ドーピング効果を高め、分子鎖の配向を確保するため、研究者たちはポリマーを引き伸ばしました。チャン氏によれば、この配向はランダムに配向した鎖を持つポリマーより多くの電気機械応答を促進します。

「ポリマーの発電効率は劇的に向上しました」とチャン氏。「このプロセスで70%効率を達成しました——以前の10%効率からの大幅な改善です。」

この堅牢な電気機械性能——通常は硬いセラミック材料でより一般的——により、柔軟ポリマーで多様な応用が可能になります。

このポリマーは水や人体組織と類似した音波抵抗を示すため、医療用画像、水中ハイドロフォン、圧力センサーへの応用が可能です。

ポリマーはセラミックより軽量で配置しやすいため、このポリマーは画像、ロボティクス等での改善探求の機会を提供するかもしれません、とチャン氏。

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