Blog

Jul 22, 2023

Alto

Nature Communications volume

Nature Communications volume 13, numero articolo: 4867 (2022) Citare questo articolo

6536 accessi

39 citazioni

Dettagli sulle metriche

I compositi piezoelettrici polimero-ceramica, che combinano elevata piezoelettricità e flessibilità meccanica, hanno attirato un crescente interesse sia nel mondo accademico che nell'industria. Tuttavia, la loro attività piezoelettrica è in gran parte limitata dalla cristallinità intrinsecamente bassa e dalla debole polarizzazione spontanea. Qui, proponiamo un metodo di ancoraggio Ti3C2Tx MXene per manipolare le interazioni intermolecolari all'interno della conformazione all-trans di una matrice polimerica. Utilizzando la simulazione del campo di fase e i calcoli della dinamica molecolare, mostriamo che le terminazioni superficiali OH sui nanosheet Ti3C2Tx offrono legami idrogeno con la matrice fluoropolimerica, portando all'allineamento dei dipoli e ad una migliore polarizzazione spontanea netta dei compositi polimero-ceramica. Abbiamo quindi tradotto questa strategia di legame interfacciale in elettrofilatura per aumentare la risposta piezoelettrica delle nanofibre composite di Pb (Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3/fluoruro di polivinilidene drogate con samario del 160% tramite l'inclusione di nanofogli Ti3C2Tx. Con eccellenti attributi piezoelettrici e meccanici, le nanofibre piezoelettriche elettrofilate possono essere facilmente integrate nelle solette delle scarpe convenzionali per formare una rete di sensori del piede per il monitoraggio completo dei modelli di andatura, l'identificazione delle abitudini di camminata e la prognosi del metatarsalgi. Questo lavoro utilizza il meccanismo di accoppiamento interfacciale dell'ancoraggio intermolecolare come strategia per sviluppare compositi piezoelettrici ad alte prestazioni per l'elettronica indossabile.

I materiali piezoelettrici sono fondamentali per sviluppare sensori e attuatori avanzati1,2,3,4,5,6,7. Grazie agli interessanti attributi di leggerezza, flessibilità, biocompatibilità e facile lavorabilità, il polivinilidene fluoruro (PVDF) e i suoi copolimeri sono stati ampiamente impiegati nei campi delle applicazioni di rilevamento, trasduzione e energia8,9,10,11,12,13. La piezoelettricità dei compositi PVDF è determinata principalmente dalle fasi cristalline e dalla polarizzazione spontanea, dove la fase α ha conformazione diedrale TGTG′ (T-trans, G-gauche+, G'-gauche-) con un angolo diedro di ±60°, mentre la fase β ha conformazione tutto trans (TTTT) con un angolo diedro di 180° e la fase γ ha conformazione attorcigliata di TTTGTTG′. Tra queste, la fase β è la fase polare più elettroattiva, presentando eccellenti proprietà piezoelettriche, piroelettriche e ferroelettriche14. Di conseguenza, ottenere la fase β è essenziale per migliorare la piezoelettricità dei fluoropolimeri. A tal fine, sono stati utilizzati vari metodi di lavorazione per indurre l'allineamento del dipolo per aumentare il contenuto della fase β elettroattiva, tra cui lo stiramento meccanico15, la polarizzazione elettrica16 e la ricottura termica17. Nel frattempo, l'inclusione di monomeri TrFE nelle catene di PVDF può anche modificare la cinetica di cristallizzazione dei film di PVDF e portare a comportamenti simili al confine di fase morfotropico (MPB) (ad esempio, l'elevata attività piezoelettrica) nei polimeri piezoelettrici8,11,18,19,20 . Unendo i meriti delle ceramiche piezoelettriche ad alte prestazioni e dei fluoropolimeri flessibili, i compositi piezoelettrici rappresentano la scelta dei materiali per la bioelettronica corporea di prossima generazione verso scenari diffusi, come la robotica morbida21, il biomonitoraggio22,23,24,25,26, e interfaccia uomo-macchina5,13,27. Tuttavia, la distribuzione casuale e la complessa connettività dei riempitivi ceramici all'interno della matrice fluoropolimerica causano disomogeneità e discontinuità delle interfacce inorganiche-organiche, che ostacolano l'allineamento a lungo raggio dei momenti di dipolo nelle catene polimeriche e quindi la conformazione tutto-trans (cioè, polarità fase β)28,29,30. Nel frattempo, la grande discrepanza nella permettività dielettrica tra riempitivi ceramici e matrice polimerica indebolisce drasticamente il campo elettrico applicato nella ceramica durante la polarizzazione elettrica e quindi limita l'evoluzione del dominio e la polarizzazione permanente31,32,33. Di conseguenza, è altamente auspicabile sviluppare compositi piezoelettrici ad alte prestazioni con conformazione tutto trans a lungo raggio e forte polarizzazione.