Ученые из Института математических проблем биологии РАН смоделировали изменение пьезоэлектрических свойств нового композитного материала с графеном. Моделирование позволило предположить дальнейшее направление экспериментальных исследований. Работа опубликована в Journal of Molecular Modeling.
В последние годы значительный интерес вызывают новые материалы с низкой плотностью, хорошей эластичностью, большой пьезоэлектрической и пироэлектрической активностью. Особое внимание уделяется созданию композиционных материалов на основе полимеров и наноструктур углерода (графена, углеродных нанотрубок), поскольку они должны обладать необычными электрическими и механическими свойствами. Подобные материалы используются в различных пьезодатчиках и пьезосенсорах. Сейчас им находят и новые инновационные применения, например, делают разные устройства по выработке электроэнергии, одно из них — пьезогенераторы в подошве обуви — человек ходит и при этом вырабатывает электричество.
Исследователи из Московского института электронной техники под руководством Игоря Бдикина и Максима Силибина провели ряд экспериментов по созданию нового пьезоактивного органического материала, который потенциально может быть использован в датчиках давления, в пироэлектрических матрицах для гражданского и военного применения. Основная цель исследований заключалась в увеличении пьезоэлектрических свойств гибких полимерных композитов, за счет добавления графена и оксида графена. Ученые сделали композитную тонкую пленку сополимера поливинилиденфторида (ПВДФ) и политрифторэтилена (ПТФЭ) с добавлением графена и оксида графена (GO). Однако в эксперименте вместо ожидаемого увеличения, они получили уменьшение значения пьезоэлектрического коэффициента. Группа компьютерного моделирования наноструктур Института математических проблем биологии РАН под руководством Владимира Быстрова смогла построить модель процесса, не только подтверждающую результаты эксперимента, но и задающую направление дальнейшего исследования материала.
Модель пьезоэффекта
Пьезоэлектриками называются вещества, в которых при приложении механических напряжений возникает электрическая поляризация даже в отсутствие электрического поля. Это явление называется прямым пьезоэффектом. Связано это с упругим смещением электрических зарядов в молекулярной структуре вещества под действием внешних механических сил. Наряду с прямым пьезоэффектом существует обратный пьезоэффект, заключающийся в возникновении механических деформаций под действием приложенного к пьезоэлектрику электрического поля.
Композиты на основе поливинилиденфторида (ПВДФ) характеризуются высокими пьезоэлектрическими коэффициентами по сравнению с другими полимерными материалами. Исследователи ожидали, что графеновые частицы, встроенные в полимерную матрицу, обеспечат большую электромеханическую и пироэлектрическую активность. Но эксперимент показал обратное.
Моделирование и вычислительные исследования композита позволили детально изучить механизмы изменения пьезоэффекта при добавлении графена к полимеру. Структуры были исследованы с использованием пакета программ HyperChem.
Для начала была построена модель молекулярной цепи ПВДФ и ее поведения в электрическом поле. Результаты вычислений пьезоэлектрических коэффициентов при различном напряжении совпали с экспериментальными данными.
Владимир Быстров поясняет: «Молекулярная структура всегда стремится занять состояние энергетического минимума. Программа HyperChem позволяет находить это состояние. Затем на цепочку полимера накладывается имитация электрического поля и наблюдается как деформируется цепочка. Без поля выгодно одно расположение, в поле другое. По изменению высоты расположения молекул цепочки можно вычислить пьезоэлектрический коэффициент».
Иллюстрация к статье:
Обсуждение