Nylon dường như là vật liệu được lựa chọn cho hàng dệt áp điện, bởi vì ngành công nghiệp dệt may dựa trên nylon đã rất trưởng thành, và nylon cũng có một pha pha pha lê áp điện thuận tiện. Nếu bạn nhấn vào nó, bạn sẽ nhận được một khoản tích lũy phí hoàn hảo. Cảm biến áp suất và thu hoạch năng lượng từ phong trào môi trường.
Tuy nhiên, nó không phải là đơn giản để tạo thành nylon thành một sợi trong khi cho nó một cấu trúc tinh thể áp điện. Kamal Asadi, một nhà nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Polymer Max Planck ở Đức và là giáo sư tại Đại học Bath ở Anh, giải thích: "Đây gần như là một thách thức trong nửa thế kỷ." Trong một báo cáo gần đây "Vật liệu chức năng nâng cao", ông và các cộng sự của ông đã mô tả cách họ giải quyết vấn đề.
Giai đoạn áp điện của nylon không chỉ hấp dẫn đối với hàng dệt điện tử, mà còn hấp dẫn đối với các thiết bị điện tử khác nhau, đặc biệt là đối với gốm sứ áp điện truyền thống có độ giòn cao. Tuy nhiên, trong nhiều thập kỷ, cách duy nhất để sản xuất nylon tinh thể với một phản ứng áp điện mạnh mẽ là làm tan chảy nó, làm mát nó một cách nhanh chóng, và sau đó kéo dài nó để ngưng tụ thành một δ'phase mịn. Cấu trúc kết quả thường dày hàng chục micron, quá dày đối với thiết bị điện tử hoặc các ứng dụng dệt điện tử.
Sự tồn tại của "hành vi áp điện" bắt nguồn từ các nhóm amide trên các đơn vị lặp đi lặp lại trong chuỗi polymer nylon và sự tương tác giữa chúng và các nhóm amide trên các chuỗi liền kề. Khi những amides tự do sắp xếp lưỡng cực của họ với điện trường, nó có thể tận dụng lợi thế của hiệu ứng áp điện trong vật liệu, mà lần đầu tiên được quan sát thấy sớm nhất là vào những năm 1980. Tuy nhiên, những gì xảy ra trong hầu hết các giai đoạn tinh thể của nylon là những amides tạo thành liên kết hydro mạnh mẽ với amides trên chuỗi polymer khác, khóa vị trí của họ và ngăn chặn chúng từ reorienting và sắp xếp. Do đó, thách thức chúng ta phải đối mặt là tìm cách tạo ra một pha cho phép amide định hướng lại một cách tự do mà không hạn chế hình thái mà nó tạo ra trong quá trình nóng chảy, làm mát và kéo dài.
Khi hầu hết các nhóm nghiên cứu trên thế giới đã từ bỏ những nỗ lực để sản xuất phim áp điện hoặc sợi trong những năm 1990, nhóm của Asadi đã đến một "sinh viên xuất sắc của kỹ sư dệt may" Saleem Anwar, khiến Asadi chú ý đến vấn đề này. . Các nhà nghiên cứu lần đầu tiên xem xét các yếu tố cơ bản để sản xuất nylon trong một giai đoạn với tính chất áp điện mạnh mẽ. Phương pháp làm nóng chảy, làm mát và kéo dài phụ thuộc vào nylon làm mát nhanh chóng, vì vậy Asadi và Anwar và các cộng tác viên của họ đã nghiên cứu làm thế nào để có được hiệu quả tương tự bằng cách hòa tan nylon trong dung môi và sau đó nhanh chóng chiết xuất dung môi. Tuy nhiên, dung môi có xu hướng hòa tan nylon bằng cách tấn công các liên kết hydro giữa amides và tạo thành liên kết hydro ở vị trí của chúng, vì vậy gần như không thể loại bỏ dung môi.
Một ngày nọ, khi Anwar sử dụng acetone để làm sạch sau một thí nghiệm, ông nói với Asadi một quan sát kỳ lạ rằng ông đã cố gắng sử dụng axit trifluoroacetic (TFA) như một dung môi để sản xuất màng nylon và tạo ra một bước đột phá. Dung dịch nylon tràn trở nên trong suốt. Nhóm nghiên cứu nghi ngờ rằng sự minh bạch đột ngột phải chỉ ra một phản ứng, vì vậy họ đã sử dụng axit trifluoroacetic và acetone để tạo ra một giải pháp và cố gắng sử dụng nó để xử lý nylon. Chắc chắn đủ, tuần sau, các nhà nghiên cứu thu được kết quả mong muốn.
Anwar vô tình phát hiện ra liên kết hydro giữa acetone và TFA, một trong những liên kết hydro mạnh nhất được biết đến trong cộng đồng khoa học. Do đó, khi các nhà nghiên cứu lan truyền dung dịch trên một chất nền chân không cao để làm bay hơi dung môi, như Asadi đã nói: "Nó gần giống như acetone đang nắm giữ các phân tử TFA bằng tay, đưa chúng ra khỏi nylon, tạo ra một pha tinh thể áp điện."
Các nhà nghiên cứu là người đầu tiên sản xuất một bộ phim nylon với một phản ứng áp điện mạnh mẽ. Nhưng điều này không hoàn toàn giải quyết được vấn đề sản xuất sợi, bởi vì phương pháp sản xuất vẫn không tương thích với chân không cao. Vì vậy, họ đã nghiên cứu những cách khác để kiểm soát tỷ lệ chiết xuất dung môi. Họ tập trung vào việc sản xuất sợi bằng cách electrospinning. Trong quá trình electrospinning, điện trường thu hút các giải pháp polymer vào các sợi với đường kính nhỏ như hàng chục nanomet chiều rộng. Tỷ lệ diện tích bề mặt cao của sợi tạo ra chiết xuất dung môi cao. Tỷ lệ. Sau đó, điều quan trọng là cân bằng điều này với độ nhớt của dung dịch polymer và điều kiện electrospinning để các yếu tố khác không ngăn chặn sự hình thành của sợi trong giai đoạn δ'.
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng sợi rộng khoảng 200 nanomet có một "điểm ngọt" trong số các yếu tố cạnh tranh. Kết quả đo lường tiềm năng được tạo ra dưới một cú sốc cơ học định kỳ với tần số 8 Hz cho thấy sợi δ'phase 200 nanomet tạo ra 6 V, trong khi sợi hẹp hơn tạo ra ít hơn 0,6 V vì các chiều rộng này. Các yếu tố liên quan đến hẹp gây ra giai đoạn hình thành bởi sợi không có phản ứng áp điện.
Trong thực tế, trong một sợi rộng khoảng 1000nm, sợi quá dày để chiết xuất dung môi một cách hiệu quả và nhanh chóng. Nylon tạo thành một γ pha tinh thể nhỏ chỉ với một phản ứng áp điện yếu. Trong các sợi dày hơn, phản ứng áp điện của pha γ là kém, được bù đắp ở một mức độ nào đó bởi khối lượng sợi lớn hơn, dẫn đến tiềm năng 4V. Tuy nhiên, sợi δ 200nm vẫn có ưu điểm là phản ứng nhạy cảm hơn.
