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May 13, 2023

Densità di lavoro eccezionalmente elevata di un cristallo organico dinamico ferroelettrico a temperatura ambiente

Nature Communications volume

Nature Communications volume 13, numero articolo: 2823 (2022) Citare questo articolo

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I cristalli organici dinamici stanno rapidamente guadagnando terreno come una nuova classe di materiali intelligenti per la conversione energetica, tuttavia, sono capaci solo di corse molto piccole (<12%) e la maggior parte di essi opera attraverso processi energeticamente proibitivi ad alte temperature. Riportiamo le prestazioni eccezionali di un materiale di attuazione organico con una corsa estremamente ampia in grado di convertire in modo reversibile l'energia in lavoro a temperatura ambiente. Durante la transizione a 295–305 K in riscaldamento e a 265–275 K in raffreddamento, i cristalli ferroelettrici di nitrato di guanidinio esercitano una corsa lineare del 51%, il valore più alto osservato con un funzionamento reversibile di un attuatore organico a cristallo singolo. La loro densità di forza massima è superiore a quella dei cilindri elettrici, dei piezoattuatori ceramici e degli attuatori elettrostatici e la loro capacità di lavoro è vicina a quella degli attuatori termici. Questo lavoro dimostra il potenziale finora non sfruttato dei cristalli organici ionici per applicazioni quali condensatori leggeri, dielettrici, giunzioni tunnel ferroelettriche e termistori.

I cristalli molecolari comprendono una classe emergente di materiali che contribuiscono alle strutture degli strumenti dei materiali tecnici dotati di morbidezza meccanica, ordine strutturale a lungo raggio e anisotropia nelle loro proprietà fisiche1,2,3,4. A una densità molto inferiore rispetto a molti altri materiali tecnici, le deboli interazioni intermolecolari nei cristalli organici possono assorbire efficacemente l'energia elastica accumulata come risultato dello sviluppo della deformazione meccanica, espandendo così efficacemente il loro regime plastico. In alcune applicazioni, questa plasticità dei cristalli molecolari potrebbe essere utilizzata per compensare la comune fragilità di alcuni materiali inorganici come le ceramiche tecniche. I cristalli organici hanno moduli elastici intermedi tra quelli dei materiali biogenici e inorganici e un ordine a lungo raggio, che è atipico per le mesofasi a densità paragonabili a quelle dei tessuti biologici molli5. Queste risorse, che sono radicate nelle interazioni intermolecolari a bassa energia, morbide e direzionali nelle loro strutture, occasionalmente sono dotate di capacità dinamiche, di autoguarigione e riparatrici e di un'abilità di diffusione delle loro molecole attraverso superfici libere e interfacce interparticellari6 ,7,8,9,10,11,12,13. Tuttavia, forse il vantaggio più prezioso derivante dall’utilizzo dei cristalli organici dinamici non è considerato il loro tempo di risposta, ma piuttosto la loro natura di materiali leggeri, in particolare in applicazioni che richiedono un peso minimo per volume del materiale come nei dispositivi medici, protesi, materiali conformi elettronica e robotica morbida. Tuttavia, sebbene non siano disponibili studi sistematici quantitativi e onnicomprensivi che possano stimare la gamma di energie che i cristalli molecolari dinamici possono fornire sotto forma di lavoro, attualmente non sembrano essere competitivi con altri materiali più robusti come i polimeri14. Due sfide con le applicazioni nel mondo reale dei cristalli organici (ad esempio, nella microfluidica) sono state la loro lenta risposta meccanica e i piccoli colpi che sono in grado di esercitare15. Gran parte della ricerca recente si è concentrata sulla semplice deformazione dei cristalli molecolari indotta dall'eccitazione con la luce, come la flessione fotoindotta dei cristalli organici16,17. Sebbene in alcuni casi il cambiamento nella forma del cristallo sia reversibile e il cristallo possa essere deviato molte volte, la deformazione e il ripristino della forma avvengono in un intervallo di tempo compreso tra secondi e minuti: una risposta inaccettabilmente lenta in considerazione delle applicazioni, che richiederebbe l'attivazione della struttura. una scala di millisecondi o più veloce18. La lentezza della curvatura dei cristalli è solitamente inerente alle piccole sezioni trasversali di assorbimento della luce che si traducono in un basso rendimento di conversione e al debole accoppiamento tra la trasformazione fotochimica e la conseguente deformazione meccanica. L'utilizzo di cristalli sottili per aumentare la resa comporta il rischio di fratturarsi, il che diventa poco pratico in ambienti densi, fluidi e/o turbolenti6.