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Jul 22, 2023

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Nature Communications 13권, 기사 번호: 4867(2022) 이 기사 인용

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높은 압전성과 기계적 유연성을 결합한 고분자-세라믹 압전 복합재는 학계와 산업계 모두에서 점점 더 많은 관심을 끌고 있습니다. 그러나 이들의 압전 활성은 본질적으로 낮은 결정성과 약한 자발 분극으로 인해 크게 제한됩니다. 여기서 우리는 폴리머 매트릭스의 all-trans 형태 내에서 분자간 상호 작용을 조작하기 위한 Ti3C2Tx MXene 고정 방법을 제안합니다. 위상장 시뮬레이션 및 분자 역학 계산을 사용하여 Ti3C2Tx 나노시트의 OH 표면 종단이 플루오로폴리머 매트릭스와 수소 결합을 제공하여 폴리머-세라믹 복합재의 쌍극자 정렬 및 향상된 순 자발적 분극을 유도한다는 것을 보여줍니다. 그런 다음 이 계면 결합 전략을 전기방사로 전환하여 Ti3C2Tx 나노시트 포함을 통해 사마륨 도핑된 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3/폴리비닐리덴 플루오라이드 복합 나노섬유의 압전 반응을 160% 향상시켰습니다. 탁월한 압전 및 기계적 특성을 갖춘 전기방사 압전 나노섬유는 기존 신발 안창에 쉽게 통합되어 전반적인 보행 패턴 모니터링, 보행 습관 식별 및 중족골 예후를 위한 발 센서 네트워크를 형성할 수 있습니다. 본 연구는 웨어러블 전자소자를 위한 고성능 압전 복합재료를 개발하기 위한 전략으로 분자 간 고정의 계면 결합 메커니즘을 활용합니다.

압전 재료는 고급 센서 및 액추에이터를 개발하는 데 매우 중요합니다1,2,3,4,5,6,7. 경량, 유연성, 생체 적합성 및 용이한 가공성이라는 흥미로운 특성으로 인해 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)와 그 공중합체는 감지, 변환 및 에너지 응용 분야에서 널리 사용되었습니다8,9,10,11,12,13. PVDF 복합재의 압전성은 주로 결정상과 자발 분극에 의해 결정됩니다. 여기서 α 상은 2면각이 ±60°인 TGTG'(T-trans, G-gauche+, G'-gauche-) 2면체 구조를 갖는 반면, β 상은 2면각이 180°인 전트랜스(TTTT) 형태를 갖고, γ 상은 TTTGTTG'의 꼬인 형태를 갖는다. 이 중 β상은 가장 전기활성이 강한 극성상으로 우수한 압전성, 초전성, 강유전성 특성을 나타냅니다. 따라서 불소중합체의 압전성을 향상시키기 위해서는 β상을 얻는 것이 필수적이다. 이를 위해 전기 활성 β 상 함량을 높이기 위해 쌍극자 정렬을 유도하기 위해 기계적 스트레칭, 전기 폴링 및 열적 어닐링을 포함한 다양한 처리 방법이 활용되었습니다. 한편, PVDF 사슬에 TrFE 단량체를 포함시키면 PVDF 필름의 결정화 동역학이 변형될 수 있으며 압전 중합체에서 MPB(morphotropic Phase Boundary)와 유사한 거동(예: 높은 압전 활성)이 발생할 수 있습니다8,11,18,19,20 . 고성능 압전 세라믹과 유연한 플루오로폴리머의 장점을 결합함으로써 압전 복합재는 소프트 로봇공학21, 생체 모니터링22,23,24,25,26, 및 인간-기계 인터페이스5,13,27. 그럼에도 불구하고 불소폴리머 매트릭스 내 세라믹 필러의 무작위 분포와 복잡한 연결성은 무기-유기 인터페이스의 불균일성과 불연속성을 유발하여 폴리머 사슬에서 쌍극자 모멘트의 장거리 정렬을 방해하고 이에 따라 올트랜스 형태(즉, 극성 β상)28,29,30. 한편, 세라믹 필러와 폴리머 매트릭스 사이의 유전율의 큰 불일치는 전기 폴링 동안 세라믹에인가된 전기장을 극적으로 약화시켜 도메인 진화와 영구 분극을 제한합니다. 결과적으로, 장거리 올-트랜스 구조와 강한 분극을 갖는 고성능 압전 복합재를 개발하는 것이 매우 요구됩니다.