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El futuro de la central eléctrica es flexoeléctrica

IMAGEN: Kosar Mozaffari es un estudiante graduado de Cullen College of Engineering en la Universidad de Houston. vista Después

Crédito: Universidad de Houston

Los investigadores han demostrado una “flexoelectricidad gigante” en elastómeros blandos que podría mejorar el rango de movimiento del robot y hacer de los marcapasos autónomos una posibilidad real. En un artículo publicado este mes en el Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, Científicos de la Universidad de Houston y del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea explican cómo convertir sustancias aparentemente ordinarias como el caucho de silicona en una planta de energía.

¿Qué tienen en común lo siguiente: un dispositivo médico implantado autoamplificado, un robot suave parecido a un humano y la forma en que escuchamos el sonido? La respuesta a la pregunta de por qué estas dos tecnologías y fenómenos biológicos dispares son similares radica en cómo los materiales de los que están hechos pueden cambiar drásticamente de tamaño y forma, o deformarse, como una goma elástica, cuando se emite una señal eléctrica.

Ciertos 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. Se llama piezoelectricidad y es útil para crear sensores láser y electrónica, entre varios otros usos finales. Sin embargo, estos materiales naturales son raros y consisten en estructuras de cristal rígidas que a menudo son tóxicas, tres inconvenientes distintos para las aplicaciones humanas.

Los polímeros sintéticos ofrecen pasos para aliviar estos puntos débiles al eliminar la escasez de materiales y crear polímeros blandos capaces de doblarse y estirarse, llamados elastómeros blandos, pero anteriormente estos elastómeros blandos carecían de importantes atributos piezoeléctricos.

En un artículo publicado este mes en el Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, Kosar Mozaffari, estudiante de posgrado en Cullen College of Engineering, 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 blandos similares al caucho”, dijo Sharma. “Si bien algunos polímeros son débilmente piezoeléctricos, no existe el caucho realmente blando como los materiales piezoeléctricos”.

El término para estos elastómeros flexibles multifuncionales de 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 baja”, dijo Mozaffari, “pero al reorganizar las cadenas en las celdas unitarias a nivel molecular, nuestra teoría muestra que los elastómeros blandos pueden lograr una flexoelectricidad mayor que casi 10 veces la cantidad convencional”.

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

La mecánica de los elastómeros flexibles que se generan y manipulan mediante señales eléctricas reproducen una función similar observada en los oídos humanos. Los sonidos golpean el tímpano, que vibra y envía señales eléctricas al cerebro, que las interpreta. En este caso, el movimiento puede manipular elastómeros flexibles y generar electricidad para alimentar un dispositivo por sí solo. Este proceso de autoproducción de energía por movimiento parece ser un avance sobre una batería típica.

Los beneficios de esta nueva teoría se extienden más allá de eso. Durante el proceso de investigación, ha surgido la capacidad de diseñar una celda unitaria que sea invariable al 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 con otras aplicaciones queremos la mayor potencia de salida posible, y hemos diseñado para ambos casos”. Dijo Mozaffari.

“En nuestra investigación, hemos descubierto un método para hacer invariante el estiramiento de una celda unitaria. La naturaleza sintonizable de la dirección flexoeléctrica puede ser útil para producir robots flexibles y sensores flexibles”.

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

Los siguientes pasos son probar esta teoría en un laboratorio utilizando aplicaciones potenciales. Además, los esfuerzos para mejorar el efecto flexoeléctrico en elastómeros flexibles serán objeto de más estudio.

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