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May 13, 2023

Densidade de trabalho excepcionalmente alta de um cristal orgânico dinâmico ferroelétrico em torno da temperatura ambiente

Volume de comunicações da natureza

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 2823 (2022) Citar este artigo

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Os cristais orgânicos dinâmicos estão ganhando força rapidamente como uma nova classe de materiais inteligentes para conversão de energia, no entanto, eles são capazes apenas de golpes muito pequenos (<12%) e a maioria deles opera por meio de processos energeticamente proibitivos em altas temperaturas. Relatamos o desempenho excepcional de um material de atuação orgânico com curso extremamente grande que pode converter reversivelmente energia em trabalho em torno da temperatura ambiente. Ao transitar a 295–305 K no aquecimento e a 265–275 K no resfriamento, os cristais ferroelétricos de nitrato de guanidínio exercem um curso linear de 51%, o valor mais alto observado com uma operação reversível de um atuador de cristal único orgânico. Sua densidade de força máxima é maior do que cilindros elétricos, piezoatuadores cerâmicos e atuadores eletrostáticos, e sua capacidade de trabalho é próxima à dos atuadores térmicos. Este trabalho demonstra o potencial até então inexplorado de cristais orgânicos iônicos para aplicações como capacitores leves, dielétricos, junções de túnel ferroelétricas e termistores.

Os cristais moleculares compreendem uma classe emergente de materiais que contribuem para as estruturas de caixa de ferramentas dos materiais de engenharia, dotadas de suavidade mecânica, ordem estrutural de longo alcance e anisotropia em suas propriedades físicas1,2,3,4. Com uma densidade muito menor do que muitos outros materiais de engenharia, as interações intermoleculares fracas em cristais orgânicos podem efetivamente absorver a energia elástica que se acumulou como resultado do desenvolvimento da deformação mecânica, expandindo efetivamente seu regime plástico. Em certas aplicações, essa plasticidade dos cristais moleculares poderia ser utilizada para compensar a fragilidade comum de alguns materiais inorgânicos, como as cerâmicas técnicas. Os cristais orgânicos têm módulos elásticos intermediários entre os materiais biogênicos e inorgânicos e ordem de longo alcance, o que é atípico para mesofases em densidades comparáveis ​​às dos tecidos biológicos moles5. Esses ativos, que estão enraizados nas interações intermoleculares de baixa energia, suaves e direcionais em suas estruturas, ocasionalmente vêm com capacidades dinâmicas, de autocura e restauração e uma capacidade de difusão de suas moléculas através de superfícies livres e interfaces interpartículas6 ,7,8,9,10,11,12,13. No entanto, talvez o recurso mais valioso do uso de cristais orgânicos dinâmicos não seja considerado seu tempo de resposta, mas sim sua natureza como materiais leves, particularmente em aplicações que exigem peso mínimo por volume do material, como em dispositivos médicos, próteses, conformidade eletrônica e robótica leve. No entanto, embora não existam estudos quantitativos e sistemáticos abrangentes disponíveis que estimassem a gama de energias que os cristais moleculares dinâmicos podem fornecer na forma de trabalho, atualmente eles não parecem ser competitivos com outros materiais mais robustos, como os polímeros14. Dois desafios com aplicações do mundo real de cristais orgânicos (por exemplo, em microfluídica) têm sido sua lenta resposta mecânica e os pequenos golpes que são capazes de exercer15. Grande parte da pesquisa recente concentrou-se na deformação simples de cristais moleculares induzida por excitação com luz, como a flexão fotoinduzida de cristais orgânicos16,17. Embora em alguns casos a mudança na forma do cristal seja reversível e o cristal possa ser desviado muitas vezes, a deformação e a restauração da forma ocorrem em uma escala de tempo de segundos a minutos - uma resposta inaceitavelmente lenta em vista das aplicações, o que exigiria a ativação da estrutura uma escala de milissegundos ou mais rápido18. A lenta taxa de curvatura do cristal é geralmente inerente às pequenas seções transversais de absorção de luz que se traduzem em baixo rendimento de conversão e no fraco acoplamento entre a transformação fotoquímica e a deformação mecânica resultante. O uso de cristais delgados para aumentar o rendimento vem com o custo da propensão à fratura, o que se torna impraticável em ambientes densos, fluidos e/ou turbulentos6.