El futuro de la energía es flexoeléctrica

Los investigadores demostraron «flexoelectricidad gigante» en elastómeros blandos que podrían mejorar el rango de movimiento del robot y hacer que los marcapasos autoamplificados sean una posibilidad real. En un artículo publicado este mes en Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, Los científicos de la Universidad de Houston y el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea explican cómo convertir sustancias aparentemente comunes, como el caucho de silicona, en una planta de energía.

¿Qué tienen en común los siguientes elementos: un dispositivo médico implantado autoamplificado, un robot blando parecido a un humano y cómo oímos el sonido? La respuesta a por qué estas dos tecnologías y fenómenos biológicos dispares son similares radica en cómo los materiales de los que están hechos pueden cambiar significativamente de tamaño y forma, o deformarse, como una goma elástica cuando se envía una señal eléctrica.

Algunos materiales en la naturaleza pueden realizar esta función, actuando como un convertidor de energía que se deforma cuando se envía una señal eléctrica o proporciona electricidad cuando se manipula. Esto se llama piezoelectricidad y es útil para crear sensores y electrónica láser, entre muchos otros usos finales. Sin embargo, estos materiales naturales son raros y consisten en estructuras cristalinas rígidas que a menudo son tóxicas, tres desventajas distintas para las aplicaciones humanas.

Los polímeros artificiales ofrecen pasos para aliviar estos puntos débiles al eliminar la escasez de material y crear polímeros blandos capaces de doblarse y estirarse, conocidos como elastómeros blandos, pero anteriormente estos elastómeros blandos carecían de atributos piezoeléctricos significativos.

En un artículo publicado este mes en Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, Kosar Mozaffari, estudiante graduado de la Facultad de Ingeniería Cullen de la Universidad de Houston; Pradeep Sharma, profesor de la cátedra MD Anderson y presidente del departamento de ingeniería mecánica de la Universidad de Houston y Matthew Grasinger, investigador posdoctoral LUCI en el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea, ofrecen una solución.

«Esta teoría crea una conexión entre la electricidad y el movimiento mecánico en materiales como el caucho blando», dijo Sharma. «Aunque algunos polímeros son débilmente piezoeléctricos, no hay caucho realmente blando como los materiales piezoeléctricos».

El término para estos elastómeros blandos multifuncionales con mayor capacidad es «flexoelectricidad gigante». En otras palabras, estos científicos demuestran cómo aumentar el rendimiento flexoeléctrico en materiales blandos.

«La flexoelectricidad en la mayoría de los materiales de caucho blando es bastante débil», dijo Mozaffari, «pero al reorganizar las cadenas en celdas unitarias a nivel molecular, nuestra teoría muestra que los elastómeros blandos pueden lograr una mayor flexoelectricidad de casi 10 veces la cantidad convencional».

Los usos potenciales son profundos. Los robots similares a humanos hechos con elastómeros blandos que contienen propiedades flexoeléctricas aumentadas serían capaces de una mayor amplitud de movimiento para realizar tareas físicas. Los marcapasos implantados en corazones humanos y que utilizan baterías de litio podrían, en cambio, ser autoalimentados, ya que el movimiento natural genera energía eléctrica.

La mecánica de los elastómeros blandos, que generan y manipulan señales eléctricas, reproducen una función similar a la observada en los oídos humanos. Los sonidos llegan al tímpano, que vibra y envía señales eléctricas al cerebro, que las interpreta. En este caso, el movimiento puede manipular elastómeros blandos y generar electricidad para alimentar un dispositivo por sí solo. Este proceso de autogeneración de energía por movimiento aparece como un avance en relación a una batería típica.

Las ventajas de esta nueva teoría van más allá. En el proceso de investigación, surgió la capacidad de diseñar una celda unitaria que sea invariante en estiramiento, o que permanezca sin cambios bajo una transformación de estiramiento no deseada.

«Para algunas aplicaciones, necesitamos que se generen ciertas cantidades de electricidad independientemente de la deformación por estiramiento, mientras que para otras aplicaciones queremos la mayor generación de electricidad posible y diseño para ambas». dijo Mozaffari.

«En nuestra investigación, descubrimos un método para hacer invariante el estiramiento de una celda unitaria. La naturaleza ajustable de la dirección flexoeléctrica puede ser útil para producir robots y sensores flexibles».

En otras palabras, la cantidad de energía eléctrica generada a partir de varios estímulos físicos se puede controlar para que los dispositivos realicen acciones específicas. Esto puede moderar el funcionamiento de dispositivos electrónicos autosuficientes.

Los siguientes pasos incluyen probar esta teoría en un laboratorio utilizando aplicaciones potenciales. Además, los esfuerzos para mejorar el efecto flexoeléctrico en elastómeros blandos serán el foco de estudios futuros.

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