Исследователи из Университета Кейс Вестерн Резерв (США) создали новый тип пластика, безопасный для окружающей среды и подходящий для использования в носимой электронике, датчиках и других электротехнических устройствах. Новый материал представляет собой ферроэлектрический полимер, не содержащий фтор — компонента, относящегося к категории «вечных» химикатов, разлагающихся чрезвычайно медленно или вовсе не разрушающихся в природе.
Разработка отличается не только экологичностью, но и уникальным способом формирования электрических свойств. Как объясняет профессор Лэй Чжу, руководитель исследования, материал не нуждается в кристаллизации для закрепления полярности, что делает его отличным от традиционных ферроэлектриков.
«То, как этот материал формирует свои электрические свойства, фундаментально ново», — отметил Чжу. Результаты исследования опубликованы в журнале Science, а на разработку подана заявка на патент.
Полимеры: основа для гибкой электроники
Полимеры — это длинноцепочечные молекулы, которые могут быть как синтетическими (например, пластик), так и природными (волосы, ДНК). Их свойства — прочность, гибкость, термостойкость и возможность переработки — зависят от молекулярной структуры и длины цепей.
Ферроэлектрические материалы обладают «спонтанной поляризацией», которую можно менять при помощи электрического поля — своего рода включатель-выключатель. Такие материалы позволяют создавать более компактные и энергоэффективные электронные устройства.
Новый материал сочетает в себе гибкость и регулируемые электрические свойства, которые можно включать и выключать. Это особенно важно для инфракрасных детекторов и сенсоров в носимой электронике — устройствах, которые должны быть мягкими, эластичными и совместимыми с телом человека.
В отличие от традиционной керамики, обладающей ферроэлектрическими свойствами, но хрупкой по своей природе, полимеры более гибкие и лёгкие. Однако основной ферроэлектрический полимер — поливинилиденфторид (PVDF) — не поддаётся биологическому разложению. Новый материал лишён этого недостатка, так как не содержит фтор.
Ферроэлектрические полимеры активно применяются в медицинских ультразвуковых сенсорах, поскольку хорошо взаимодействуют с биологическими тканями. Кроме того, они могут быть использованы в устройствах дополненной и виртуальной реальности, включая «умные» очки.
Разработка началась при поддержке пятилетнего гранта Министерства энергетики США в 2017 году. Затем проект получил дополнительное финансирование от Национального научного фонда США на периоды 2021–2025 и 2025–2028 гг.
«Мы пока синтезируем небольшие количества материала и продолжаем изучать его свойства. Но мы видим в нём большой потенциал как в замене вредных пластиков, так и в создании новых сенсоров и детекторов», — говорит профессор Чжу.
