哈佛大學鎖志剛院士團隊:用這種方法,可伸縮駐極體儲存電荷60天

什麼是駐極體?常見的電介質是在外電場作用下發生極化作用,當外電場撤去後,極化現象也隨之消失。而駐極體是一種具有長久電荷的電介質,與永磁體類似,人們將這種長期保留電荷的電介質叫做駐極體。目前在聲電器件、空氣凈化、電機、高壓發生器、生物材料等領域均有應用。為瞭長時間捕捉電荷或偶極子,駐極體通常由硬電介質構成。隨著人機交互和軟機器人的發展,可伸縮的駐極體應用而生,然而像彈性體這樣的可伸縮的電介質,存在電荷儲存時間短的問題。因此,對於極柱體而言,電荷儲存時間長和可伸縮這兩種性能是“魚與熊掌”的關系,很難同時獲得。

【研究成果】

近日,哈佛大學鎖志剛教授團隊將硬駐極體納米粒子固定在介電彈性體基質中,提出一種既能長期儲存電荷又能可伸縮的駐極體的通用方法。在駐極體中彈性體基質賦予其可伸縮性,極柱體粒子使其電荷儲存時間更長,解決瞭可伸縮的彈性體在發展過程中面臨的難題。相關內容以“Stretchable Electrets: Nanoparticle-Elastomer Composites”為題發表在Nano Letters。

哈佛大學鎖志剛院士團隊:用這種方法,可伸縮駐極體儲存電荷60天

【圖文速遞】

1. 可伸縮駐極體原理

作者首先闡述瞭電極和可伸縮極柱體在非接觸狀態下的力-電轉換的工作原理。電極通過電阻接地處理,當復合駐極體靠近電極時,從地面引出的電荷在電極上產生。當復合駐極體拉伸時,彈性體和極柱體粒子發生形變,改變瞭電極上的感應電荷量,並通過電阻器產生電流(1b),因此,復合駐極體的剛體運動和變形都會在電極上產生電荷,實現瞭力-電轉換。

可伸縮極柱體可分為兩部分:一是硬駐極體粒子具有長時間帶電,二是介電彈性體的基體具有伸縮性。粒子可以選擇無機物和塑料,介電彈性體的選擇也多種多樣,所以這種方法大大拓寬瞭可伸縮駐極體材料的選擇。

哈佛大學鎖志剛院士團隊:用這種方法,可伸縮駐極體儲存電荷60天
圖1 可伸縮的駐極體的原理

2. 駐極體的極化特點

研究人員以PDMS為彈性體基質,以二氧化矽為納米粒子,探究瞭復合極柱體中電荷密度q的影響因素。研究結果表明,隨著極化電荷場E、極化溫度T的增加,q也隨之增加;隨極化時加熱時間增加,q逐漸增加,當加熱時間足夠長時,q就不再增加;隨二氧化矽粒子數量增加,q逐漸增加。

哈佛大學鎖志剛院士團隊:用這種方法,可伸縮駐極體儲存電荷60天
圖2 極化特征

3. 極柱體極化後電荷保持能力

電荷密度會隨著二氧化矽納米粒子的數量而改變,並且可以保持60天。隨著駐極體基質PDMS交聯密度的降低,固定極柱體粒子的能力也逐漸減低,因此荷電保持能力也會有所降低。當駐極體經過104次拉伸循環後,電荷密度仍為初始極化值的85%(3c)。駐極體在生物醫用領域也具有應用前景,研究人員也將其浸泡在PBS溶液中進行瞭測試。

哈佛大學鎖志剛院士團隊:用這種方法,可伸縮駐極體儲存電荷60天
圖3 荷電保持能力

4. 駐極體的應用

和其它駐極體一樣,可伸縮駐極體能夠實現接觸和非接觸的力-電轉換。可伸縮駐極體可以通過剛體運動和變形產生電信號,應用於伸展運動傳感器(4a,4b)、壓力傳感器(4c,4d)、無觸點拉伸傳感(4e,4f)。

哈佛大學鎖志剛院士團隊:用這種方法,可伸縮駐極體儲存電荷60天
圖4 力-電轉換

【總結】

當聚合物基質的網格小於顆粒時,或當彈性體粘附在顆粒上時,就可以將硬駐極體粒子固定在介電彈性體基質上,從而有效的解決瞭長壽命和可拉伸之間的沖突。這種方法中多樣的材料選擇可以實現組合的多樣性,這為可伸縮駐極體打開瞭工程領域和醫學領域的大門。

全文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c01434

資料鏈接:

https://zhidao.baidu.com/question/589047159.html

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