Zwei-Phasen-Material mit überraschenden Eigenschaften

Mikrostruktur und makroskopische elektro-mechanische Eigenschaften sind bei sogenannten ferroelektrischen Polymeren eng miteinander gekoppelt. An der TU Wien wurde nun eine Erklärung für die hohe Temperaturabhängigkeit dieser Kopplung gefunden.

Bei bestimmten Materialien sind elektrische und mechanische Effekte eng miteinander verknüpft: So kann es etwa sein, dass das Material seine Form verändert, wenn man ein elektrisches Feld anlegt, oder dass umgekehrt ein elektrisches Feld entsteht, wenn man das Material verformt. Für viele technische Anwendungen sind solche elektromechanisch aktiven Materialien sehr wichtig.

Meist handelt es sich bei solchen Materialien um spezielle, anorganische Kristalle, diese sind allerdings hart und spröde. Daher setzt man nun auch sogenannte ferroelektrische Polymere ein. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Polymerketten gleichzeitig in zwei verschiedenartigen Mikrostrukturen vorliegen: manche Bereiche sind stark geordnet (kristallin), während sich dazwischen ungeordnete (amorphe) Bereiche ausbilden. Diese semikristallinen Verbundstoffe sind elektromechanisch aktiv und vereinen daher elektrische und mechanische Effekte, gleichzeitig sind sie aber auch biegsam und weich. An der TU Wien wurden solche Materialien nun grundlegend untersucht – mit überraschenden Ergebnissen: ab einer bestimmten Temperatur ändern sich die Eigenschaften dramatisch. Warum das passiert, konnte ein Forschungsteam der TU Wien in Kooperation mit Arbeitsgruppen aus Madrid und London nun erklären.

Vom Mikro-Sensor bis zu smarten Textilien

„Wenn man das mechanische Verhalten eines Materials mit Hilfe elektrischer Felder steuern kann, lassen sich damit etwa winzige Sensoren bauen“, sagt Prof. Ulrich Schmid vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien. „Interessant ist das beispielsweise für Rasterkraftmikroskope, bei denen man eine winzige Spitze in Schwingung versetzt, um damit eine Oberfläche abzutasten und ein Bild zu erzeugen.“

Das Einsatzgebiet solcher Materialien lässt sich dramatisch erweitern, wenn es gelingt, solche elektromechanischen Eigenschaften nicht nur in starren Materialien hervorzurufen, sondern auch in flexiblen, weichen Materialien. Einerseits haben biegsame Materialien ein völlig anderes Schwingungsverhalten, das kann man beim Konstruieren winziger Sensoren ausnützen. Andererseits eröffnen solche Materialien auch Möglichkeiten, die bisher völlig undenkbar waren – etwa smarte Textilien, biegsame Energiespeicher oder Stromgeneratoren.

„Festkörper können etwa kristallin sein, dann sind die Atome in einem regelmäßigen Gitter angeordnet, oder sie sind amorph – da sind die einzelnen Atome zufällig verteilt“, erklärt Jonas Hafner, der im Rahmen seiner Dissertation an diesem Forschungsprojekt arbeitet. „Das Besondere an dem Material, das wir untersucht haben, ist, dass es beides gleichzeitig sein kann: Es bildet kristalline Bereiche aus, dazwischen liegt das Material in amorpher Form vor.“
Die Kristalle sorgen für die elektromechanischen Eigenschaften des Materials, die amorphe Matrix rundherum hält die winzigen Kristalle zusammen, insgesamt entsteht ein sehr biegsames, flexibles Material.

Bei zu viel Hitze ist Schluss

Um solche Materialien weiterentwickeln und verbessern zu können, untersuchte das Forschungsteam der TU Wien zunächst ihre grundlegenden physikalischen Eigenschaften. Und dabei stieß man auf ein überraschendes Phänomen: Die ferroelektrischen Polymere, die aus der Kombination von kristallinen und amorphen Bereichen bestehen, ändern bei einer bestimmten Temperatur ihre mikroskopische Zusammensetzung – was überraschende Effekte auf das makroskopische elektromechanische Verhalten hat.

Normalerweise verschwinden die elektromechanischen Eigenschaften eines Materials erst dann, wenn eine sehr hohe Temperatur auf atomarer Ebene für so große Schwingungen sorgt, dass die elektrische Ordnung im Material völlig verschwindet. Diese kritische Temperatur bezeichnet man als „Curie-Temperatur“. Doch bei dem nun untersuchten Material ist die Sache komplizierter: „In unserem Fall bleiben die elektromechanischen Eigenschaften der winzigen Kristalle bestehen. Mikroskopisch betrachtet sind die Eigenschaften noch da, aber makroskopisch betrachtet sind sie verschwunden“, sagt Jonas Hafner.

Der verlorene Kontakt zwischen den Kristallkörnchen

Das Team konnte erklären, wie dieser Effekt entsteht: Bei steigender Temperatur vergrößert sich der Anteil der amorphen Bereiche des Polymers und an einem bestimmten Punkt verlieren die winzigen Kristalle den direkten Kontakt zueinander. Dadurch können keine mechanischen Kräfte mehr von einem der winzigen Kristalle zum nächsten weitergegeben werden, weil sie alle vollständig in einer dämpfenden amorphen Matrix eingebettet sind. Dadurch ändert sich das mechanische und elektromechanische Verhalten des Materials dramatisch.

„Nur wenn wir diese grundlegenden Effekte verstehen, können wir auch erklären, wie mikroskopische und makroskopische Eigenschaften solcher Materialien miteinander zusammenhängen“, sagt Ulrich Schmid. „Wir arbeiten mit zahlreichen Projektpartnern zusammen, die solche Materialien dann einsetzen – in Rasterkraftmikroskopen, in Sensoren, in Chips. An Einsatzmöglichkeiten für diese spannende Materialphase mangelt es sicher nicht.“

Gefördert wurden diese Forschungsaktivitäten durch das Projekt SPM2.0 (Scanning probe microscopies for nanoscale fast, tomographic and composition imaging) im Rahmen eines Marie Curie Skłodowska European Training Networks (https://spm20.eu/).

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Ulrich Schmid
Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme
Technische Universität Wien
Gußhausstraße 27-29, 1040 Wien
T +43-1-58801-36689
ulrich.e366.schmid@tuwien.ac.at

Originalpublikation:

J. Hafner et al., Multi-scale characterisation of a ferroelectric polymer reveals the emergence of a morphological phase transition driven by temperature, Nature Communications volume 12, 152 (2021). https://www.nature.com/articles/s41467-020-20407-6

J. Hafner et al, Large bias-induced piezoelectric response in the ferroelectric polymer P(VDF-TrFE) for MEMS resonators, Mater. Res. Lett. 2021, 9, 4, 195–203. https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21663831.2020.1868593

http://www.tuwien.ac.at