Блог

May 13, 2023

Исключительно высокая рабочая плотность сегнетоэлектрического динамического органического кристалла при комнатной температуре.

Том «Природные коммуникации»

Nature Communications, том 13, номер статьи: 2823 (2022) Цитировать эту статью

4860 Доступов

7 цитат

123 Альтметрика

Подробности о метриках

Динамические органические кристаллы быстро набирают популярность как новый класс интеллектуальных материалов для преобразования энергии, однако они способны совершать лишь очень малые удары (<12%), и большинство из них действуют посредством энергетически дорогостоящих процессов при высоких температурах. Мы сообщаем об исключительных характеристиках органического исполнительного материала с чрезвычайно большим ходом, который может обратимо преобразовывать энергию в работу при комнатной температуре. Сегнетоэлектрические кристаллы нитрата гуанидиния при переходе при 295–305 К при нагреве и при 265–275 К при охлаждении проявляют линейный ход 51%, наибольшее значение наблюдается при реверсивной работе органического монокристаллического актюатора. Их максимальная плотность силы выше, чем у электрических цилиндров, керамических пьезоактюаторов и электростатических актуаторов, а их рабочая мощность близка к таковой у термоактюаторов. Эта работа демонстрирует до сих пор неиспользованный потенциал ионных органических кристаллов для таких применений, как легкие конденсаторы, диэлектрики, сегнетоэлектрические туннельные переходы и термисторы.

Молекулярные кристаллы представляют собой новый класс материалов, входящих в состав инструментов инженерных материалов, которые наделены механической мягкостью, дальним структурным порядком и анизотропией физических свойств1,2,3,4. При гораздо меньшей плотности, чем у многих других конструкционных материалов, слабые межмолекулярные взаимодействия в органических кристаллах могут эффективно поглощать упругую энергию, накопленную в результате развития механической деформации, тем самым эффективно расширяя их пластический режим. В некоторых приложениях эта пластичность молекулярных кристаллов может быть использована для компенсации обычной хрупкости некоторых неорганических материалов, таких как техническая керамика. Органические кристаллы обладают промежуточными между модулями упругости биогенных и неорганических материалов и дальним порядком, что нетипично для мезофаз при плотностях, сравнимых с плотностью мягких биологических тканей5. Эти активы, основанные на низкоэнергетических, мягких и направленных межмолекулярных взаимодействиях в их структурах, иногда обладают динамическими, самовосстанавливающими и восстановительными способностями, а также способностью диффузии своих молекул через свободные поверхности и границы раздела между частицами6. ,7,8,9,10,11,12,13. Тем не менее, возможно, самым ценным преимуществом использования динамических органических кристаллов считается не их время отклика, а скорее их природа как легких материалов, особенно в приложениях, которые требуют минимального веса на объем материала, например, в медицинских устройствах, протезах, совместимых электроника и мягкая робототехника. Однако, несмотря на отсутствие доступных количественных и всеобъемлющих систематических исследований, которые бы оценили диапазон энергий, которые динамические молекулярные кристаллы могут обеспечить в форме работы, в настоящее время они, по-видимому, не могут конкурировать с другими, более надежными материалами, такими как полимеры14. Двумя проблемами реального применения органических кристаллов (например, в микрофлюидике) являются их медленная механическая реакция и небольшие удары, которые они способны оказывать15. Большая часть исследований в последнее время сосредоточена на простой деформации молекулярных кристаллов, вызванной возбуждением светом, например, на фотоиндуцированном изгибе органических кристаллов16,17. Хотя в некоторых случаях изменение формы кристалла обратимо и кристалл может отклоняться много раз, деформация и восстановление формы происходят за время от секунд до минут — неприемлемо медленный ответ с точки зрения приложений, который потребовал бы включения структуры. масштабе миллисекунд или быстрее18. Низкая скорость изгиба кристаллов обычно обусловлена ​​малыми сечениями поглощения света, что приводит к низкому выходу конверсии, а также слабой связи между фотохимическим превращением и последующей механической деформацией. Использование тонких кристаллов для увеличения выхода достигается за счет склонности к разрушению, что становится непрактичным в плотных, жидких и/или турбулентных средах6.