Penn State -yliopiston tutkijoiden kehittämä pietsosähköinen keraaminen vaahto tarjoaa kymmenkertaisen kasvun kykyyn kerätä mekaanista ja lämpöenergiaa tavanomaisiin pietsosekoitteisiin verrattuna. Ratkaisu on lisäksi erittäin edullinen.
Aiemmin tutkijat ovat lisänneet kovakeraamisia nanopartikkeleita tai nanolankoja pehmeään ja joustavaan polymeeritukeen. Polymeeri antaa joustavuutta, kun taas pietsohiukkaset muuntavat mekaanisen energian sähköjännitteeksi.
Nämä materiaalit ovat kuitenkin suhteellisen tehottomia, koska mekaanisen kuormituksen yhteydessä suurin osa polymeeristä absorboi mekaanista energiaa ja hyvin pieni osa siirtyy pietsohiukkasille. Lisäämällä keraamisia komponentteja lisättäisiin energiatehokkuutta mutta silloin joustavuus vähenee.
Lähes kolme vuosikymmentä sitten Penn Staten materiaalitieteilijä Bob Newnham tuli käsitykseen siitä, että pietsotäyteaineen liitettävyys määritti pietsosähköisen vaikutuksen tehokkuuden. Täten kolmiulotteinen materiaali olisi tehokkainta tällaisissa rakenteissa. Ongelmaksi muodostui se, miten saavuttaa hyvin määritelty mikrorakenne.
Mysteerin ratkaisuksi osoittautui halpa polyuretaanivaahtoarkki, joka on ostettavissa mistä tahansa rakennustarvikekaupasta. Arkin rakenne toimii mallina pietsosähköisen keraamisen mikrorakenteen muodostamiseksi.
Tutkijat ujuttivat keramiikkaa polyuretaanilevyyn liuenneiden nanohiukkasten muodossa. Kun sapluuna ja liuos kuumennetaan riittävän korkeaan lämpötilaan, levy palaa pois ja liuos kiteytyy kiinteään 3D-mikromuotoon, jossa on yhtenäiset aukot. Sitten keraamisen vaahdon aukot täytetään polymeerillä.
- Näemme, että tällä 3D-komposiitilla on paljon suurempi energiantuotto eri tiloissa. Voimme venyttää, taivuttaa tai puristaa sitä. Ja samaan aikaan sitä voidaan käyttää pyroelektrisena energiasarjana, jos lämpötilagradientti on vähintään muutaman asteen, kuvailee professori Qing Wang.
Tällä hetkellä Wang ja kumppanit työskentelevät lyijyttömän ja ympäristöystävällisemmän keraamisen vaihtoehdon etsimiseksi nykyisen lyijy-zirkonium-titanaatin (PZT) tilalle.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 21.5.2018
