Um aumento de 10 vezes na capacidade de coletar energia mecânica e térmica em relação aos compósitos piezoelétricos padrão pode ser possível usando uma espuma de cerâmica piezoelétrica suportada por um suporte de polímero flexível, de acordo com pesquisadores da Penn State.

Na busca por formas de captar pequenas quantidades de energia para fazer funcionar dispositivos eletrônicos móveis ou sensores para monitoramento de saúde, pesquisadores normalmente adicionam nanopartículas de cerâmica dura ou nanofios a um macio, suporte de polímero flexível. O polímero fornece a flexibilidade, enquanto as nanopartículas piezo convertem a energia mecânica em voltagem elétrica. Mas esses materiais são relativamente ineficientes, porque após o carregamento mecânico, a energia mecânica é amplamente absorvida pela maior parte do polímero, com uma fração muito pequena transferida para as nanopartículas piezo. Embora a adição de mais cerâmica aumentaria a eficiência energética, vem com a desvantagem de menos flexibilidade.

"A cerâmica dura no polímero macio é como pedras na água, "disse Qing Wang, professor de ciência e engenharia de materiais, Estado de Penn. "Você pode bater na superfície da água, mas pouca força é transferida para as pedras. Chamamos isso de capacidade de transferência de tensão. "

Quase três décadas atrás, o falecido cientista de materiais da Penn State Bob Newnham surgiu com o conceito de que a conectividade do enchimento piezoelétrico determinava a eficiência do efeito piezoelétrico. Um material tridimensional seria mais eficiente do que o que ele classificou como nanopartículas de dimensão zero, nanofios unidimensionais ou filmes bidimensionais, porque a energia mecânica seria transportada diretamente através do material tridimensional em vez de se dissipar na matriz polimérica.

"Bob Newnham era uma lenda no campo da piezoelétrica, "disse Wang." então todos na comunidade de cerâmica sabiam de sua abordagem, mas como conseguir essa estrutura 3-D com uma microestrutura bem definida permaneceu um mistério. "

O ingrediente secreto para resolver o mistério acabou por ser uma folha de pó de espuma de poliuretano barata que pode ser comprada em qualquer loja de materiais de construção. As pequenas saliências uniformes na folha atuam como um gabarito para formar a microestrutura da cerâmica piezoelétrica. Os pesquisadores aplicaram a cerâmica à folha de poliuretano na forma de nanopartículas suspensas em solução. Quando o modelo e a solução são aquecidos a uma temperatura alta o suficiente, a folha queima e a solução cristaliza em uma espuma sólida de microforma 3-D com orifícios uniformes. Em seguida, eles preenchem os buracos na espuma cerâmica com polímero.

"Vemos que este composto 3-D tem uma produção de energia muito maior em diferentes modos, "disse Wang." Podemos esticar isso, Dobre isso, pressione-o. E ao mesmo tempo, ele pode ser usado como um coletor de energia piroelétrica se houver um gradiente de temperatura de pelo menos alguns graus. "

Sulin Zhang, professor de ciência da engenharia e mecânica, Penn State é o outro autor correspondente no artigo que aparece em Energia e Ciência Ambiental . Zhang e seus alunos foram responsáveis ​​por um extenso trabalho computacional simulando o desempenho piezoelétrico do composto 3-D.

"Fomos capazes de mostrar teoricamente que o desempenho piezoelétrico de compósitos de nanopartículas / nanofios é criticamente limitado pela grande disparidade na rigidez da matriz polimérica e da piezocerâmica, mas a espuma composta 3-D não é limitada pela rigidez, "disse Zhang." Esta é a diferença fundamental entre esses materiais compostos, que fala sobre a inovação deste novo composto 3-D. Nossas simulações extensivas demonstram ainda mais essa ideia. "

Atualmente, Wang e seus colaboradores estão trabalhando com alternativas sem chumbo e mais ecologicamente corretas para a atual cerâmica de titanato de zircônio de chumbo.

"Este é um método muito geral, "disse Wang." Isso é para demonstrar o conceito, baseado no trabalho de Bob Newnham. É bom continuar o trabalho de uma lenda da Penn State e avançar neste campo. "Outros autores no artigo, "Compósitos à base de espuma de cerâmica piezoelétrica interconectada tridimensional flexível para coleta simultânea de energia mecânica e térmica altamente eficiente, "são co-autores principais Guangzu Zhang, anteriormente no grupo de Wang e agora na Universidade Huazhong de Ciência e Tecnologia, China; e Peng Zhao, estudante de doutorado no grupo de Zhang. Outros colaboradores são Xiaoshin Zhang, Kuo Han, Tiankai Zhao, Yong Zhang, Chang Kyu Jeong e Shenglin Jiang.