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Jul 22, 2023

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Volume de comunicações da natureza

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 4867 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Compósitos piezoelétricos de polímero-cerâmica, combinando alta piezoeletricidade e flexibilidade mecânica, têm atraído crescente interesse tanto na academia quanto na indústria. No entanto, sua atividade piezoelétrica é amplamente limitada pela cristalinidade intrinsecamente baixa e polarização espontânea fraca. Aqui, propomos um método de ancoragem Ti3C2Tx MXene para manipular as interações intermoleculares dentro da conformação trans de uma matriz polimérica. Empregando simulação de campo de fase e cálculos de dinâmica molecular, mostramos que as terminações de superfície OH nas nanofolhas de Ti3C2Tx oferecem ligação de hidrogênio com a matriz de fluoropolímero, levando ao alinhamento de dipolo e polarização líquida espontânea aprimorada dos compósitos de polímero-cerâmica. Em seguida, traduzimos essa estratégia de ligação interfacial em eletrofiação para aumentar a resposta piezoelétrica de nanofibras compostas de Pb (Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3/fluoreto de polivinilideno dopado com samário em 160% por meio da inclusão de nanofolhas de Ti3C2Tx. Com excelentes atributos piezoelétricos e mecânicos, as nanofibras piezoelétricas podem ser facilmente integradas às palmilhas convencionais para formar uma rede de sensores de pé para monitoramento geral de padrões de marcha, identificação de hábitos de caminhada e prognóstico de metatarsalgi. Este trabalho utiliza o mecanismo de acoplamento interfacial de ancoragem intermolecular como estratégia para desenvolver compósitos piezelétricos de alto desempenho para eletrônicos vestíveis.

Materiais piezelétricos são críticos para desenvolver sensores e atuadores avançados1,2,3,4,5,6,7. Devido aos intrigantes atributos de leveza, flexibilidade, biocompatibilidade e fácil processabilidade, o fluoreto de polivinilideno (PVDF) e seus copolímeros têm sido amplamente empregados nas áreas de detecção, transdução e aplicações de energia8,9,10,11,12,13. A piezoeletricidade dos compósitos PVDF é determinada principalmente pelas fases cristalinas e polarização espontânea, onde a fase α tem conformação diédrica TGTG′ (T-trans, G-gauche+, G'-gauche-) com um ângulo diedro de ±60°, enquanto a fase β tem conformação all-trans (TTTT) com um ângulo diedro de 180° e a fase γ tem conformação dobrada de TTTGTTG'. Dentre estas, a fase β é a fase polar mais eletroativa, exibindo excelentes propriedades piezoelétricas, piroelétricas e ferroelétricas14. Assim, a obtenção da fase β é essencial para melhorar a piezoeletricidade dos fluoropolímeros. Para este fim, vários métodos de processamento foram utilizados para induzir o alinhamento do dipolo para aumentar o conteúdo da fase β eletroativa, incluindo alongamento mecânico15, polarização elétrica16 e recozimento térmico17. Enquanto isso, a inclusão de monômeros de TrFE em cadeias de PVDF também pode modificar a cinética de cristalização de filmes de PVDF e levar a comportamentos semelhantes ao limite de fase morfotrópica (MPB) (por exemplo, a alta atividade piezoelétrica) em polímeros piezoelétricos8,11,18,19,20 . Ao combinar os méritos da cerâmica piezoelétrica de alto desempenho e dos fluoropolímeros flexíveis, os compósitos piezoelétricos são a escolha de materiais para a bioeletrônica on-body de última geração para cenários generalizados, como robótica leve21, biomonitoramento22,23,24,25,26, e interface homem-máquina5,13,27. No entanto, a distribuição aleatória e a conectividade complexa das cargas cerâmicas dentro da matriz de fluoropolímero causam falta de homogeneidade e descontinuidade das interfaces inorgânico-orgânicas, o que dificulta o alinhamento de longo alcance dos momentos dipolares nas cadeias poliméricas e, portanto, a conformação totalmente trans (ou seja, polar fase β)28,29,30. Enquanto isso, a grande discrepância na permissividade dielétrica entre as cargas cerâmicas e a matriz polimérica enfraquece dramaticamente o campo elétrico aplicado na cerâmica durante a polarização elétrica e, assim, restringe a evolução do domínio e a polarização permanente31,32,33. Consequentemente, é altamente desejável desenvolver compósitos piezoelétricos de alto desempenho com conformação all-trans de longo alcance e forte polarização.