В поисках способов улавливать мельчайшие количества энергии для питания мобильной электроники или сенсоров исследователи обычно добавляют в мягкую полимерную основу керамические наночастицы или наноповода пьезоэлектриков. Но такие материалы имеют низкую эффективность, так как полимерный наполнитель поглощает бóльшую часть механической энергии. Увеличение же плотности керамических частиц негативно сказывается на гибкости материала.

В Пенсильванском университете (Penn State), профессору материаловедения Цин Вану (Qing Wang), удалось реализовать предложенную почти 30 лет назад его коллегой по университету Бобом Ньюнамом (Bob Newnham) концепцию гибкого керамического 3D-наполнителя, который по расчётам должен был быть гораздо более эффективен в передаче механического напряжения, чем наночастицы (0D), нанопровода (1D) или плёнки (2D).

Впервые осуществить идею Ньюнама удалось, взяв за основу дешёвую пенополиуретановую салфетку. Мельчайшие поры в ней служили трафаретом для создания нужной микроструктуры пьезоэлектрической керамики. Авторы нанесли керамику на пенополиуретан в виде суспензии наночастиц в жидкости. После отжига Рио высокой температуре материал салфетки полностью выгорел, а суспензия кристаллизовалась в пену с однородными отверстиями. Через эти поры пустоты в керамической пене были заполнены полимером.

Полученный материал продемонстрировал 10-кратный рост эффективности преобразования механической энергии, в сравнении с известными пьезокомпозитами.

«Мы можем его растягивать, сгибать, сжимать. Одновременно его можно использовать в качестве пироэлектрического генератора энергии, если есть температурный градиент, по крайней мере, в несколько градусов», пишет Ван в статье, которую опубликовал авторитетный журнал Energy and Environmental Science.

«Мы смогли показать теоретически, что пьезоэлектрическая производительность композитов наночастиц/нанопроводов критически ограничена большой разницей в жесткости полимерной матрицы и пьезокерамики. Отсутствие ограничений по жёсткости для трёхмерной композитной пены принципиально отличает её от этих композиционных материалов. Наши обширные симуляции еще больше демонстрируют эту идею», — отметил соавтор Вана, профессор механики и машиностроения Сулин Чжан (Sulin Zhang).

Вместе они сейчас тестируют бессвинцовые, более безопасные для окружающей среды альтернативы применявшейся в цитируемой работе керамике PZT (титанат свинца и циркония).