Dat de kunststof polyvinylideenfluoride krimpt onder invloed van een elektrisch veld, heeft mede te maken met interactie tussen kristallijne en amorfe delen van het materiaal. Dat zie je pas als je een van beide fasen afzonderlijk kunt doormeten, blijkt uit een publicatie in Nature Materials.

Dit ‘negatieve piëzo-elektrische effect’ is vrij uitzonderlijk; copolymeren van polyvinylideenfluoride (PVDF) met trifluoretheen vertonen het ook maar vrijwel alle andere piëzo-elektrische materialen zetten juist uit.

Dat PVDF is in vaste toestand semikristallijn. Net als veel andere kunststoffen vormt het kristalletjes die ingebed zijn in een amorfe (niet-kristallijne) matrix; elke fase maakt ongeveer de helft van het totaal uit. Tot nu toe werd het afwijkende piëzo-elektrische effect óf aan de amorfe óf aan de kristallijne fase toegeschreven: een van de twee krimpt, naar de andere hoef je niet meer te kijken.

En het gekke is dat het met allebei de hypotheses aardig lukte om het gedrag van een PVDF-film in een elektrisch veld te voorspellen.

Onder leiding van Dago de Leeuw, die in 2012 zijn leerstoel in Groningen verruilde voor het Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz, is het nu gelukt om het gedrag van de kristallijne fase apart in beeld te brengen met dynamische in situ-röntgendiffractiemetingen. Dat klinkt gemakkelijker dan het is: bij dit materiaal heb je hoogenergetische röntgenstraling uit een synchrotron nodig om überhaupt een bruikbaar signaal te krijgen, en je moet ook nog je data-acquisitie zien te synchroniseren met de oscillaties van het elektrische veld om een verband tusen dat veld en de kristalstructuur te kunnen leggen.

Uiteindelijk kwam er uit dat de kristallen inderdaad krimpen, maar onvoldoende om het piëzo-elektrische effect in zijn geheel te verklaren. De amorfe fase moet ook iets doen.

Voorlopig is het nog onmogelijk om daar metingen aan te doen, maar de auteurs hebben wel een aardige hypothese. De kristallijne fase van PVDF is lamelvormig, en met een amorf laagje er tussen werken twee van die lamellen als condensator. Wanneer ze korter worden, moet de amorfe fase meebewegen en verandert de capaciteit van die condensator, met als gevolg dat er een stroom gaat lopen die extra veldsterkte genereert en de lamellen nog iets verder laat krimpen.

bron: Nature Materials