پلیمرهای پیزوالکتریک: نظریه، چالش ها و فرصت
مواد پیزوالکتریک می توانند به طور مستقیم انرژی الکتریکی و مکانیکی را انتقال دهند و کاربرد گسترده ای در حسگرها، محرک ها و دستگاه های برداشت انرژی جذاب دارند. اثر مواد پیزوالکتریک علیرغم این که اغلب با مواد سرامیکی همراه است اما در بسیاری از پلیمرها مشاهده می شود. انعطاف پذیری، سهولت در پردازش و زیست سازگاری پلیمرهای پیزوالکتریک به این معنا است که با وجود ضرایب پیزوالکتریک پایین تر، اغلب در کاربردهای خاصی ارجحیت دارند. این مطالعه برخی از مفاهیم نظری و عملی پیزوالکتریک در پلیمرها مانند الزامات تقارن، مکانیسم زیرساختی و پردازش مواد لازم را بیان می کند. همچنین مروری کوتاه بر کاربرد پلیمرهای پیزوالکتریک نیز در اینجا ارائه شده است. یکی از انگیزه های اصلی این مطالعه بحث چالش ها و یافتن راهی برای بررسی مسیرهای بالقوه تحقیقات در آینده است.
مواد پیزوالکتریک می توانند مستقیماً جریان الکتریکی و انرژی مکانیکی را انتقال دهند. از آنها در حسگرها، محرک ها، دستگاه های برداشت انرژی (EH) و همچنین بسیاری از فناوری های دیگر استفاده می شود. اثر پیزوالکتریک اغلب با مواد سرامیکی همراه است اما رفتار پیزوالکتریک نیز در بسیاری از پلیمرها مشاهده می شود. انعطاف پذیری، سهولت در پردازش و زیست سازگاری پلیمرهای پیزوالکتریک به این معنی است که برخلاف ضرایب پایین پیزوالکتریک نسبت به همتایان سرامیکی خود، اغلب در برنامه های خاص استفاده می شود. اثرات پیزوالکتریک در برخی خانواده های پلیمری مشاهده شده است. جدا از پلیمر فروالکتریک معروف پلی وینیلیدین فلوراید، رفتار پیزوالکتریک نیز در برخی از پلی اوره ها، پلی آمیدها، پلی پپتیدها و پلی استرها مشاهده می شود. بسیاری از مطالعات اخیر به بررسی پلیمرهای پیزوالکتریک پرداخته اند که فهرست جامعی از پلیمرهای پیزوالکتریک گزارش شده و کاربردهای آنها را ارائه می دهد. این مطالعه به جای تکرار آنچه که در حال حاضر به خوبی پوشش داده شده است، بر برخی مفاهیم اساسی پیزوالکتریک در پلیمرها (هم تئوری و هم عملی) متمرکز است. مفهوم تقارن با توجه به پیزوالکتریک مورد بحث قرار خواهد گرفت و نشان داده خواهد شد که این مفهوم می تواند با توجه به پدیده پیزوالکتریک در پلیمرها ابزار مهمی باشد. مباحث مختصری از مکانیسم پیزوالکتریک در پلیمرها و همچنین پردازش، بهینه سازی و خواص پلیمرهای پیزوالکتریک در اینجا ارائه شده است. در نهایت، مروری کوتاه بر برخی از کاربردهای پلیمرهای پیزوالکتریک آورده شده است. یکی از انگیزه های اصلی این بررسی، بیان سؤالات مطرح شده در این زمینه و پرداختن به حوزه هایی است که نظریه ها و ایده های متضادی دارند. با در نظر گرفتن این مباحث مهم، امید است که محققان در موقعیت بهتری برای حل چالش ها قرار گیرند و با کمک این مواد، دانش فعلی و پیشرفت تکنولوژی را بهبود بخشند.
مختصری از تاریخچه پیزوالکتریک در پلیمرها
اولین بار پیزوالکتریک در بلورهای معدنی توسط ژاک و پیر کوری در سال 1880 شناسایی شد. امروزه این پدیده همچنان با مواد سرامیکی همراه است و بسیاری از مواد پیزوالکتریک که در حال حاضر کاربرد زیادی دارند، غیر آلی هستند. مواد پیزوالکتریک سرامیکی مانند تیتانیوم زیرکونیوم سرب (PZT) ممکن است از ضرایب پیزوالکتریک بالا، بیش از 500 pC N₋₁ برخوردار باشند. با این حال، ترکیب و خواص مکانیکی سرامیک برای همه کاربردها مناسب نیست. خوشبختانه هیچ عامل اساسی وجود ندارد که پیزوالکتریک را به مواد سرامیکی محدود کند؛ در واقع، پیزوالکتریک نیز در برخی از مواد پلیمری مشاهده می شود. به طور کلی، ضرایب پیزوالکتریک کوچکتر هستند اما مواد سازگارتر بوده و پردازش ساده تر دارند. پلیمرهای پیزوالکتریک جایگزین مناسبی برای سرامیک های پیزوالکتریک نیستند، بلکه هر دو گروه مکمل یکدیگر هستند. نکته جالب این که اولین مواد غیر سرامیکی گزارش شده پیزوالکتریک را به عنوان بیومتریال معرفی می کند. اولین بار اثرات پیزوالکتریک بر روی چوب حدود سال 1950 گزار شد که به دنبال آن، شواهدی از این پدیده در بافت های کلاژنی مانند استخوان، تاندون و حتی DNA ارائه شد. قبل از این، ایچی فوکادا، که در زمینه پیزوالکتریک پلیمری و بیولوژیکی پیشگام بود، نیز مطالعاتی انجام داده بود. ابتدا، این یافته ها کمتر مورد توجه جامعه بیومتریال قرار گرفت. این شاید قابل درک باشد؛ با توجه به اینکه بزرگ ترین ثابت های پیزوالکتریک اندازه گیری شده معمولاً 1/20 کوارتز است که در آن زمان، بهترین مشخصه مواد پیزوالکتریک محسوب می شد. علاقه به پلیمرهای پیزوالکتریک از سطح وسیع تر جامعه علمی در سال 1969 آغاز شد، زمانی که هیجی کاوای اثرات پیزوالکتریک را در پلیمر مصنوعی پلی وینیلیدین فلوراید (PVDF) کشف کرد. این ضرایب پیزوالکتریک دست کم یک مرتبه بزرگ تر از هر چیزی بود که قبلا در پلیمرها مشاهده شده بود. علاوه براین، پاسخ تقارن پیزوالکتریک بسیار متفاوت از نمونه های قبل بود. تأیید رفتار پیروالکتریک و فروالکتریک در PVDF سریع دنبال شد و زمینه را برای استفاده از پلیمرهای پیزوالکتریک در بسیاری از حوزه ها فراهم کرد. بعدها، رفتار پیزوالکتریک در چند خانواده پلیمری دیگر مشاهده شد و اکنون پلیمرهای پیزوالکتریک به مرکز تحقیقات علمی در برنامه های کاربردی EH، فناوری پوششی و دستگاه های زیست پزشکی تبدیل شده اند.
نظریه پیزوالکتریک
اثر پیزوالکتریک انتقال انرژی الکتریکی و مکانیکی در یک ماده را بیان می کند. به طور کلی، یک ارتباط خطی بین حالت تنش یک ماده و قطبش الکتریکی آن است. این اثر ذاتا برگشت پذیر است؛ پولاریزاسیون با یک استرس اعمال شده یا یک میدان الکتریکی اعمال شده رخ دهد. اینها به ترتیب به عنوان اثرات پیزوالکتریک مستقیم و غیر مستقیم شناخته می شوند. مورد دوم نیز اغلب به عنوان اثر پیزوالکتریک معکوس شناخته می شود.
در این بررسی، به بحث در مورد جنبه های نظری و عملی پیزوالکتریک در پلیمرها پرداخته ایم. این اثر در پلیمرها با در نظر گرفتن تقارن مولکول های پلیمر و محدودیت هایی که بر روی پاسخ مشاهده شده ایجاد می کند، بررسی شده است. از سه پلیمر PVDF، نایلون و PLLA برای بحث در مورد این پدیده استفاده شد. این که دقیقاً چگونگی پیدایش پیزوالکتریک مورد بحث قرار گرفته است، سوال مهمی را مطرح کرد که احتمالاً پاسخ مشخصی ندارد: مکانیسم هر پلیمر به احتمال زیاد متفاوت است. این موضوع بدون شک به تحقیقات بیشتری در آینده نیاز دارد. پردازش پلیمرهای پیزوالکتریک نیز بررسی شد که در آن بیان شد که پردازش هر پلیمر می تواند به طور قابل توجهی متفاوت باشد. برخی از روش های تقویت اثر پیزوالکتریک در پلیمرها نیز مورد بحث قرار گرفت. در نهایت، برخی از کاربرد پلیمرهای پیزوالکتریک ارائه شد. امیدواریم این مباحث در توسعه درک مواد پیزوالکتریک و تمرکز تلاش های تحقیقاتی در حوزه های مرتبط که به درستی بررسی نشده اند، مفید باشد. درک عمیق تر پیزوالکتریک در پلیمرها نه تنها انگیزه دانشگاهیان را پاسخ می دهد، بلکه منجر به پیشرفت های تکنولوژیکی در کاربردهای صنعتی، پزشکی و مهندسی می شود.
