Ferroelektryczne nanowłókna kompozytowe

  • Poziom gotowości technologicznej TRL: Laboratoryjne potwierdzenie krytycznych elementów technologii
  • Status Własności Intelektualnej: Zgłoszenie patentowe: P.416931, data przyznania: 22.04.2016
  • Syntetyczny opis: Przedmiotem wynalazku są innowacyjne w skali świata nanostrukturalne materiały kompozytowe o osnowie ceramicznej oraz sposób ich wytwarzania, których wzmocnienie stanowią nanodruty jodosiarczku antymonu (SbSI) cechujące się silnie sprzężonymi własnościami ferroelektrycznymi oraz półprzewodnikowymi. Sposób otrzymywania nanostrukturalnego materiału kompozytowego według wynalazku umożliwia uzyskanie nanostrukturalnych włóknistych materiałów kompozytowych PVP/nanodruty SbSI oraz PAN/nanodruty SbSI. Tak otrzymane nano/mikro włókna kompozytowe charakteryzują się bardzo dobrymi własnościami piezoelektrycznymi, oraz zmienną przewodnością prądu elektrycznego (materiał półprzewodnikowy lub dielektryczny), dzięki czemu posiadają szerokie spektrum aplikacyjne w dziedzinie przemysłu wysokich technologii ze szczególnym uwzględnieniem przemysłu elektronicznego tzn. do budowy nanogeneratorów posiadających wysoką skuteczność przekształcania energii mechanicznej na energię elektryczną.

Autorzy:

  • dr hab. inż. Tomasz Tański prof. Pol.Śl.
  • prof. dr hab. inż. Marian Nowak
  • mgr inż. Wiktor Matysiak
  • dr inż. Piotr Szperlich

Korzyści z wdrożenia:

Osiągnięty cel badawczy przedstawiony przez autorów przedkładanego wniosku w zgłoszeniu patentowym (T. Tański, M. Nowak, W. Matysiak, P. Szperlich, Nanostrukturalny włóknisty materiał kompozytowy o osnowie polimerowej z fazą wzmacniającą oraz sposób jego wytwarzania, Zgłoszenie patentowe P.416931 z dnia 2016-04-22) bezpośrednio wpisuje się w badania prowadzone aktualnie na całym świecie, dotyczące wytwarzania i badania innowacyjnych materiałów nanostrukturalnych stanowiących półprodukt dla wysokowydajnych nanogeneratorów, przekształcających energię mechaniczna w prąd elektryczny. Przeprowadzone optymalizacje procesu elektroprzędzenia, przyczyniły się do opracowania pierwszych na świecie materiałów nanokompozytowych, w postaci nanowłókien polimerowych wzmocnionych nanodrutami jodosiarczku antymonu zdyspergowanymi równolegle do ich długości, charakteryzujących się bardzo dużym współczynnikiem piezoelektrycznym oraz sprzężeniem elektromechanicznym. Zbudowanie pierwszego prototypu nanogeneratora na bazie wytworzonej kompozytowej włókniny PAN/SbSI oraz wstępne badania jego współczynnika elektromechanicznego wskazały duży potencjał w proponowanym rozwiązaniu, wyższy od opisywanych rozwiązań prezentowanych przez czołowe jednostki naukowo-badawcze Stanów Zjednoczonych, przy jednoczesnym zachowaniu niższych kosztów produkcji półproduktów. Ponadto zastosowanie materiałów obojętnych dla organizmów żywych, do których należą zarówno zastosowane polimery jak i sama faza wzmacniająca, mogą pozwolić w przyszłości na wykorzystanie naszego rozwiązania do zasilania nanogeneratora wszczepionego w klatce piersiowej człowieka, który z kolei w sposób ciągły pobudzałby pracę serca przekształcając energię mechaniczną generowaną przez ludzkie ciało na impulsy elektryczne, stając się tym samym rozrusznikiem serca nie wymagającym stosowania baterii.

Zastosowania:

Wykonana analiza morfologii i struktury badanych materiałów kompozytowych wykazała równomierną dyspersję nanodrutów SbSI w osnowie polimerowej, co ma kluczowe znaczenie w przypadku przyszłych zastosowań aplikacyjnych tego typu materiałów. Przeprowadzone po raz pierwszy na świecie badania własności optycznych nanowłókien PAN/SbSI wykazały, że materiał ten cechuje się przerwą energetyczną rzędu Eg=1,94 eV, co w połączeniu z silnie sprzężonymi własnościami ferroelektrycznymi oraz półprzewodnikowymi kryształów SbSI świadczy o szerokich możliwościach aplikacyjnych nowoopracowanych nanowłókien kompozytowych, ze szczególnym uwzględnieniem wykorzystania tego typu materiałów do produkcji nanogeneratorów nowej generacji. Ponadto opracowane materiały, tj. nanowłókna polimerowe z wypełnieniem w materiałów ferroelektrycznych i/lub piezoelektrycznych cieszą się coraz większą popularnością w środowisku badawczym ze względu na ich ogromny potencjał dla wielu zastosowań technologicznych, w tym np. do produkcji urządzeń magazynujących energię, przetworników wysokich częstotliwości, wszczepianych biosensorów, absorberów drgań i kompozytowych czujników siły. Nowoopracowane włókniste materiały kompozytowe o osnowie polimerowej z wypełnieniem w postaci nanodrutów ferroelektrycznych, charakteryzujące się ściśle określoną orientacją pojedynczych nanowłókien względem siebie, sprawdzą się w obszarze militarnym, medycznym oraz przemyśle wysokich technologii, ze względu na wysoką skuteczność konwersji energii mechanicznej na elektryczną.

Szczegóły techniczne:

Ostatnio publikowane światowe doniesienia naukowe stosunkowo dużą uwagę poświęcają nanowłóknom kompozytowym zawierającym jako wypełnienie nanostruktury o własnościach ferroelektrycznych lub piezoelektrycznych, przede wszystkim ze względu na możliwości ich efektywnego wykorzystania, np. do budowy nanogeneratorów przetwarzających energię mechaniczną w elektryczną, przetworników wysokoczęstotliwościowych, implantowanych biosensorów, czy też sensorów kompozytowych. Dlatego też w oparciu o ww. informacje literaturowe oraz własną, komplementarną wiedzę i doświadczenie, głównym celem projektu, przedkładanego przez kompetentny zespół autorski jest wytworzenie nowego typu włóknistych mat nanokompozytowych o osnowie polimerowej z wypełnieniem w postaci nanodrutów ferroelektrycznych. W ramach prezentowanego projektu przewidziane jest wytworzenie metodą elektroprzędzenia nowoopracowanych materiałów nanokompozytowych, w postaci nanowłókien polimerowych (poliakrylonitryl PAN, poliwinylopirolidon PVP) wypełnionych nanodrutami jodosiarczku antymonu (SbSI) oraz jodoselenku antymonu (SbSeI). Istotą projektu jest otrzymanie pierwszych na świecie, nanowłókien polimerowych zorientowanych względem siebie wzdłuż ściśle określonego kierunku, wypełnionych ferroelektrycznymi jednowymiarowymi nanostrukturami zdyspergowanymi równolegle do długości nanowłókien, charakteryzujących się bardzo dużym współczynnikiem piezoelektrycznym oraz sprzężeniem elektromechanicznym. Autorzy projektu przewidują kompleksowe opracowanie wszystkich etapów technologii wytwarzania nanostrukturalnego materiału nanokompozytowego wraz z określeniem jego struktury oraz własności fizycznych, zarówno w odniesieniu do finalnego materiału jak i poszczególnych jego komponentów. Badania wstępne przeprowadzone przez autorów przedkładanego projektu przedstawione w publikacji (Nowak, M., Tański, T., Szperlich, P., Matysiak, W., Kępińska, M., Stróż, D., & Toroń, B. (2017). Using of sonochemically prepared SbSI for electrospun nanofibers. Ultrasonics Sonochemistry, 38, 544-552) pozwoliły na otrzymanie nanowłókien kompozytowych PAN/SbSI o chaotycznej orientacji względem siebie, które pod wpływem ciśnienia generowały różnicę potencjałów rzędu 200 V, co jednoznacznie świadczy o przyszłych, szerokich możliwościach aplikacyjnych tego typu nanokompozytów oraz uzasadnia potrzebę prowadzenia dalszych badań w kierunku otrzymania ściśle ukierunkowanych nanowłókien polimer/nanodruty ferroelektryczne charakteryzujących się jeszcze lepszymi możliwościami konwersji energii mechanicznej na elektryczną.

Słowa kluczowe:

innowacyjne w skali świata włókniste nanokompozyty polimerowe; nanokompozyty o specjalnych własnościach ferroelektrycznych oraz półprzewodnikowych; włókniste maty z nanowłókien typu polimer/nanodruty jodosiarczku antymonu; kompozyty posiadające wysoką skuteczność przekształcania energii mechanicznej na energię elektryczną


Projekt Współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego z programu „Inkubator Innowacyjności +” w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój, Działanie 4.4 Zwiększenie potencjału kadrowego sektora B+R