کشف
و سنتز نوع جدیدی از پلیمرها که به الکترواکتیوپلیمرها (EAPs) موسومند و
دارای خواص فیزیکی و شیمیایی جالبی هستند، توجه بسیاری از محققان را، به
خصوص در زمینه های پزشکی، بیومواد، نانودارو و نانومواد، به خود جلب کرده
است. اگرچه مواد دیگری از قبیل سرامیک های الکترواکتیو (EACs) دارای برخی
از این خواص هستند، اما خصوصیاتی از قبیل سرعت پاسخ گویی سریعتر(نسبت به
محرکهای الکتریکی و مکانیکی از قبیل اعمال ولتاژ و یا ایجاد فشار)، چگالی
کمتر و حالت های ارتجاعی پیشرفته تر سبب شده EAPs در مقایسه با دیگر مواد
الکترواکتیو کاربردهای وسیعتری پیدا کنند.اگرچه عواملی از قبیل نیروهای
پاسخ ضعیف(نیروهایی که پس از اعمال محرکهای الکتریکی و مکانیکی دریافت می
کنیم) و مقاومت کم(نسبت به دیگر مواد الکترواکتیو، پلیمرها نمیتوانند
تنشهای بزرگی را تحمل کنند) EAPs سبب محدودیت هایی در کاربرد آنها شده
است، با این وجود، گزارشهای موفقیت آمیزی از کاربرد آنها در ساخت میله های
هدایت کنندة جراحی، دست های ماشینی در مقیاس کوچک، جاروب کننده های
گردوغبار، بازوهای رباتیک کوتاه و گیرنده ها منتشر شدهاست.
EAPs را
براساس مکانیسم فعال سازی و تحریک آنها به دودسته «الکترونیکی» و «یونی»
تقسیم می کنند. عموما میدان الکتریکی و نیروهای کولنی، سبب تحریک EAPs
الکتریکی می شوند، در صورتی که برای EAPs یونی حرکت و انتشار یون از عوامل
اولیه تحریک هستند
EAPهای الکتریکی:
پلیمرهای فروالکتریکی
هنگامی که کریستالهای مشخصی از قبیل کواترز، کهربا و... را در طول یک
محور معین فشرده می کنیم و یا می کشیم (یک تنش ایجاد کنیم) یک ولتاژ بر روی
سطح کریستال تولید می شود. به طور عکس، هنگامی که یک جریان الکتریسیته در
چنین کریستالهایی جاری شود یک کشیدگی یا یک فشردگی در کریستال رخ می دهد.
این پدیده به پیزو-الکتریکی موسوم است و برای اولین بار در سال 1880 کشف
شد.
پلیوینیلیدینفلوراید (PVDF) و کوپلیمرهای آن از مهم ترین
پلیمرهای فروالکتریکی مورد استفاده هستند.آنها شامل اندکی ترکیب کریستالی
که در یک فاز غیرکریستالی قرار دارد، هستند. میدان های AC بزرگ سبب کشش
الکترواستریکی(همان کشش یا فشردگی که در پدیده پیزوالکتریکی به آن اشاره
شد) در حدود 2% (میزان کشش یا فشردگی) می شوند. P(VDF-T,FE) (یک
کوپلیمرPVDF، پلی(وینیلیدین فلوراید-تری فلوئورواتیلن)) که در معرض تابش
الکترون(تابش الکترون نیز همانند اعمال ولتاژ عمل می کند و کاهش فرکانس
همانند افزایش ولتاژ می باشد.) قرار گرفته است در فرکانس های کمتر از یک
کشش الکترواستریکی را به بزرگی 5% نشان می دهد.
EAPs فروالکتریکی می
توانند در هوا، خلاء و آب و در یک بازة دمایی وسیع عمل کنند. لذا مواد
بسیار مطلوبی برای تولید سنسورهای مکانیکی و الکتریکی هستند.
کاغذ الکترواستریکی
عموما، کاغذها از ترکیب ذرات و گروه های مجزا که اکثرا از الیاف طبیعی
هستند و یک ساختار شبکه ای را شکل می دهند، تولید می شوند. برای مثال، یک
لایه ورقه ای از نقره که دو تکه ورق نقره ای به وسیله الکترودهای نقره ای
بر روی سطوح خارجی آن قرار گرفته اند را در نظر بگیرید. با اعمال ولتاژ
الکتریکی بین الکترودها یک خمش را در صفحة نقره مشاهده می کنیم. حال اگر به
جای صفحة نقره ای یک پلیمری الاستیک داشته باشیم که بتوان با اعمال ولتاژ
در آن تنش ایجاد نمود، یک شرایط ایده آل برای تولید وسایلی داریم که اساس
کار آنها تولید تنش است.مزیت دیگر این مواد، سبک بودن و آسانی ساخت آنها می
باشد. همچنین برای کاربرد در مواردی از قبیل جاذب های فعال صدا، بلندگوهای
تاشو و وسایل کنترلی «هوشمند» مطلوب هستند.
الاستومرهای الکترو- ویسکوالاستیک
این مواد از ترکیبات الاستومرهای سیلیکونی در یک فاز قطبی هستند. در این
دسته از پلیمرها میتوان با ایجاد میدان الکتریکی در خواص فیزیکی آنها
تغییر ایجاد نمود، که مهمترین آن "ویسکو الاستیسیته" می باشد(رفتاری از
ماده که به صورت ترکیبی از رفتار الاستیک و جریان کاملا ویسکوز در نظر
گرفته میشود. برای توضیح این رفتار یک سیستم فنر و ضربهگیر تصور میشود.
به این ترتیب که وقتی بر ماده تنش اعمال میشود می تواند هر تغییر غیرقابل
برگشتی را تحمل کند. در این حالت ماده به صورت موثری به عنوان یک جامد
الاستیک رفتار میکند. رهایی از این تنش مو جب یک برگشت سریع به حالتی با
کرنش کمتر خواهد شد.(مطابق پاسخ جز فنر) اما قسمتی از تغییر شکل ناشی از
جریان ویسکوز ناپدید خواهد شد. به این ترتیب تنش کلی اعمال شده با گذشت
زمان به وسیله جز فنر مصرف میشود.) با اعمال میدان الکتریکی مناسب (
<6) فاز قطبی در ماتریس الاستومر جهت گیری میکند و مو جب تغییر در مدول
برشی میشود.یک کاربرد پیش بینی شده برای این ترکیبات استفاده از آنها
برای کاربرد به عنوان جاذب های اتلافی انرژی کنترل شده (damping) است.
EAPs یونی:
کامپوزیت های پلیمرهای یونی- فلز (IPMC):
این نوع EAPs، در پاسخ به یک فعال سازی الکتریکی، دچار خمیدگی می شوند.
علت این امر حرکت کاتیون ها در شبکه پلیمری است. عمدتا دو نوع پلیمر نافیون
(پرفلورو سولفونات محصول شرکت دوپونت*) و فلمیون (پرفلورو کربوکسیلات،
محصول شرکت آساهی گلاس ژاپن) به عنوان پلیمر پایه برای تولید این کامپوزیت
ها استفاده می شود. در یونومرهایی که به عنوان ماتریس استفاده میشود
گروههای عاملی قابل یونیزه شدن( عموما سولفونات و کربوکسیلات) وجود دارد
که تا 10 درصد واحد مونومری در پلیمر را تشکیل میدهند، و با یونهای فلزی
نظیر سدیم یا روی خنثی میشوند. حضور این گروهها سبب استحکام مکانیکی و
مقاومت شیمیایی بیشتر کامپوزیت میشوند. حضور یونها از یک جهت سبب ایجاد
اتصال عرضی در شبکه میشود و از جهت دیگر به عنوان تقویت کننده عمل میکند و
این دلیل دیگری برای استحکام مکانیکی کامپوزیت میباشد.
با اعمال
میدان الکتریکی و حرکت کاتیونها در شبکه مولکولهای پلیمر ماتریس که دارای
گروههای عاملی قابل یونیزه هستند، برای برقرار ساختن تعادل الکتریکی در
شبکه مجبور به حرکت شده و یک خمیدگی را در کامپوزیت ایجاد میکنند.
برای برانگیختن کاتیون های شبکه IMPC و ایجاد یک خمیدگی نیاز به ولتاژهای پایین در محدود 1-10V و فرکانسهای پایین تر از 1Hz داریم.
پلیمرهای هادی (CP):
CPs از طریق جذب و دفع یون های مخالف که در یک چرخه اکسایش و کاهش رخ می
دهد، فعال می شوند. در حقیقت وجود گروههای آزاد کننده الکترون(مانند
باندهای مزدوج و فلزها و مولکولهایی نظیر ید) به عنوان عوامل هدایت
الکتریکی عمل میکنند. همان طور که در یک سلول شیمیایی الکترونهای آزاد
فلز به عنوان یک سیال عمل کرده، یعنی در قسمتی از فلز یون وارد(یا خارج)
شده و از قسمت دیگری خارج میشود. در این مواد هم، این گروهها به عنوان
عامل حرکت یون عمل میکنند.در طول واکنشهای اکسایش-کاهش، الکترودها (که
عمدتا از پلی آنیلین که به HCl آغشته شدهاست ساخته میشوند) دچار تغییر
حجم میشوند.
CPs در محدوده ولتاژ V5-1 فعال میشوند و میتوان با
تغییر ولتاژ فعالیت آنها را کنترل نمود. با وجود این که این مواد می توانند
به یک چگالی انرژی مکانیکی بالا (بالاتر از ) دست یابند، اما به علت
ساختار مولکولی آنها(وجود پیوندهای مزدوج و حلقههای آروماتیک) و کمبود
چرخش آزاد حول پیوندهای کربن-کربن بازده آنها در حدود 1% می باشد.ترکیبات
دیگری از قبیل پلی(پیرول)، پلی( اتیلندی اکسیتیوفین)، پلی(p- فنیل
وینیل)، پلی(آنیلین) و پلی(تیوفین) هم از جمله پلیمرهای هادی هستند. بعضی
از کاربردهایی که برای CPs گزارش شده اند بدین شرح هستند: جعبه های کوچکی
که توانایی باز و بسته شدن دارند، میکروربات ها، وسایل جراحی، روبا ت های
جراح که بر روی دیگر وسایل کوچک سوار می شوند.
To be designed by the NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC), this idea was featured in an IEEE Spectrum article entitled "Fly Like a Bird: Flapping Wings Could Revolutionize Aircraft Design." In this case, the EAPs are a crucial component of the thin-film laminate stack-up that would contain power harvesting (photovoltaic), power storage (lithium batteries), and actuation / sensing (the EAPs).