Miękka materia, twarda energia
Projekt dra Mateusza Mrukiewicza z Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT otrzymał grant w konkursie OPUS 29 Narodowego Centrum Nauki. Dzięki pozyskanym środkom zespół badawczy będzie pracował nad stworzeniem innowacyjnego materiału superparaelektrycznego (SPE). Taki materiał, potrafi zgromadzić i oddawać ogromną ilość energii elektrycznej w bardzo krótkim czasie.
Siła kompromisu
W ramach projektu zespół naukowców zamierza opracować materiał superparaelektryczny (SPE), który stanowi stan pośredni między ferro- a paraelektrykiem. Z jednej strony mamy ferroelektryk, który po wyłączeniu napięcia zachowuje swoje elektryczne uporządkowanie. Potrafi gromadzić dużo energii, ale jego wadą jest mała elastyczność w działaniu. Z kolei w paraelektryku, gdy wyłączymy pole elektryczne, to wraca on natychmiast do swojego naturalnego, nieuporządkowanego stanu. Wobec tego, jego zdolność do gromadzenia ładunku jest niewielka. Idealnym rozwiązaniem jest stworzenie materiału paraelektrycznego, który jest bardzo bliski wytworzenia fazy ferroelektrycznej. „Materiał SPE będzie paraelektrykiem o bardzo dużej przenikalności elektrycznej, więc będzie wykazywał silną odpowiedź na przyłożone pole elektryczne (jak ferroelektryk), ale po odłączeniu napięcia błyskawicznie powróci do stanu całkowitej równowagi (jak paraelektryk)” – wyjaśnia dr Mateusz Mrukiewicz.
W magnetyzmie zjawisko to znane jest jako superparamagnetyzm. Jego elektryczny odpowiednik jest jednak znacznie rzadszy i słabo zbadany. Choć nauka opisała już superparaelektryczność w stałych kryształach, materiały wykazujące ten unikalny stan pośredni wciąż należą do wyjątków. Materiały SPE mogą rozwiązać jeden z największych problemów współczesnej elektroniki – efektywność energetyczną.
Dlaczego ciekłe kryształy?
Przyjęta koncepcja zakłada, że stan SPE będzie znacznie łatwiejszy do wywołania w ciekłych kryształach niż w sztywnych strukturach krystalicznych. W tym ujęciu to właśnie miękka natura tych układów staje się kluczem do gromadzenia „twardej”, wysokiej energii elektrycznej. Efekt ten jest możliwy dzięki unikalnym cechom fazy ciekłokrystalicznej: mobilności cząsteczek, niskim barierom energetycznym reorganizacji strukturalnej oraz możliwości precyzyjnego projektowania architektury molekularnej. Inspiracją do badań są najnowsze odkrycia dotyczące ferroelektrycznej fazy nematycznej. Skala zjawisk zachodzących w tych ciekłych materiałach dorównuje procesom obserwowanym w stałych kryształach ferroelektrycznych.
Molekularna kontrola
Podstawowym założeniem przyjętego podejścia jest zrozumienie i kontrolowanie delikatnej równowagi między stanem ferro- a paraelektrycznym. Służyć ma temu mechanizm samoorganizacji materii miękkiej, czyli spontaniczne porządkowanie się cząsteczek. Aby osiągnąć wyznaczony cel nastąpi zmiana dotychczasowych struktur na nowe, silnie polarne molekuły ciekłokrystaliczne. Charakterystyka elektryczna zostanie określona na podstawie analizy rozkładu potencjału wzdłuż długiej osi cząsteczki. Obliczenia te zostaną przeprowadzone z wykorzystaniem metod chemii kwantowej. Międzynarodowy zespół badawczy zweryfikuje, czy nowe związki oraz mieszaniny wykazują zdolność do nanosekundowego przełączania optycznego.
Droga do budowy superkondensatorów
Nowe materiały SPE otwierają drogę do budowy superkondensatorów, w których ośrodkiem aktywnym są strojone ciekłe kryształy. Ich potencjał jest ogromny, pozwolą osiągnąć pojemności elektryczne wyższe niż dla klasycznych kondensatorów dielektrycznych. Warto podkreślić, że w tym przypadku wzrost pojemności nie wymaga zwiększania powierzchni elektrod ani ich zbliżania. Ta unikalna właściwość sprawia, że rozwiązanie idealnie odpowiada rygorystycznym wymaganiom mikro- i nanoelektroniki. Dzięki nanosekundowej skali przełączania, stan SPE stanie się kluczowym elementem technologii wizualizacji wirtualnej rzeczywistości.
„Ten projekt, to krok ku przyszłości, w której inteligentne materiały miękkie zmienią nasze podejście do przechowywania energii” – reasumuje dr Mrukiewicz.
W ramach konkursu OPUS 29 naukowcy pozyskują fundusze na rozbudowane projekty badawcze. Umożliwiają one na sfinansowanie nie tylko aparatury czy materiałów, ale także stworzenie zespołów, które przez najbliższe lata będą pracować nad rozwiązaniami o strategicznym znaczeniu dla nauki.