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May 13, 2023

실온 부근의 강유전성 동적 유기 결정의 매우 높은 작업 밀도

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Nature Communications 13권, 기사 번호: 2823(2022) 이 기사 인용

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동적 유기 결정은 에너지 변환을 위한 새로운 종류의 스마트 재료로 빠르게 주목을 받고 있지만 매우 작은 스트로크(<12%)만 가능하며 대부분은 고온에서 에너지적으로 비용이 많이 드는 공정을 통해 작동합니다. 우리는 실온에서 에너지를 작업으로 가역적으로 변환할 수 있는 매우 큰 스트로크를 갖춘 유기 작동 재료의 뛰어난 성능에 대해 보고합니다. 가열 시 295~305K, 냉각 시 265~275K에서 구아니디늄 질산염의 강유전체 결정이 51%의 선형 스트로크를 발휘하며, 이는 유기 단결정 액추에이터의 가역적 작동에서 관찰된 가장 높은 값입니다. 최대 힘 밀도는 전기 실린더, 세라믹 압전 액츄에이터 및 정전 액츄에이터보다 높으며 작업 용량은 열 액츄에이터에 가깝습니다. 이 연구는 경량 커패시터, 유전체, 강유전성 터널 접합 및 서미스터와 같은 응용 분야에서 지금까지 개발되지 않은 이온 유기 결정의 잠재력을 보여줍니다.

분자 결정은 물리적 특성의 기계적 부드러움, 장거리 구조 질서 및 이방성을 부여하는 엔지니어링 재료의 도구 상자 구조에 기여하는 새로운 종류의 재료로 구성됩니다. 다른 많은 엔지니어링 재료보다 훨씬 낮은 밀도에서 유기 결정의 약한 분자간 상호 작용은 기계적 변형의 발달로 인해 축적된 탄성 에너지를 효과적으로 흡수하여 소성 영역을 효과적으로 확장할 수 있습니다. 특정 응용 분야에서는 분자 결정의 이러한 가소성을 활용하여 공업용 세라믹과 같은 일부 무기 재료의 일반적인 취성을 보상할 수 있습니다. 유기 결정은 생체 물질과 무기 물질 사이의 중간 수준인 탄성 계수를 가지며, 이는 연질 생물학적 조직과 유사한 밀도의 중간상에 대해 비정형입니다5. 구조의 저에너지, 연성 및 방향성 분자간 상호작용에 뿌리를 둔 이러한 자산은 때때로 동적, 자가 치유 및 복원 기능과 자유 표면 및 입자 간 인터페이스를 통한 분자 확산 능력을 제공합니다6 ,7,8,9,10,11,12,13. 그러나 아마도 동적 유기 결정 사용의 가장 귀중한 자산은 응답 시간이 아니라 특히 의료 기기, 보철, 규정 준수와 같이 재료의 부피당 최소 무게가 필요한 응용 분야에서 경량 재료로서의 특성으로 간주됩니다. 전자공학, 소프트 로봇공학. 그러나 동적 분자 결정이 작업의 형태로 전달할 수 있는 에너지 범위를 추정할 수 있는 정량적이고 포괄적인 체계적인 연구는 없지만 현재는 폴리머와 같은 보다 견고한 다른 재료와 경쟁할 수 없는 것으로 보입니다. 유기 결정의 실제 적용(예: 미세 유체 공학)에 대한 두 가지 과제는 느린 기계적 반응과 발휘할 수 있는 작은 스트로크였습니다15. 최근 연구의 대부분은 유기 결정의 광유도 굽힘과 같이 빛에 의한 여기에 의해 유도된 분자 결정의 단순한 변형에 중점을 두었습니다. 어떤 경우에는 결정 모양의 변화가 되돌릴 수 있고 결정이 여러 번 휘어질 수 있지만 변형 및 모양 복원은 몇 초에서 몇 분의 시간 단위로 발생합니다. 이는 응용 분야를 고려할 때 허용할 수 없을 정도로 느린 반응으로 구조를 켜야 합니다. 밀리초 이상의 단위18. 결정 굽힘의 느린 속도는 일반적으로 낮은 변환 수율로 변환되는 작은 광 흡수 단면과 광화학적 변형과 그에 따른 기계적 변형 사이의 약한 결합에 내재되어 있습니다. 수율을 높이기 위해 가느다란 결정을 사용하면 균열이 발생하기 쉬우며 밀도가 높고 유동적이며 난류가 심한 환경에서는 실용적이지 않습니다6.