Potsdamer Universitätszeitung

Bei mechanischem Druck elektrische Spannung
Physiker untersuchen Entwicklung und Einsatz von Polymeren

Poröse piezoelektrische Polymere stehen im Mittelpunkt der Arbeiten an der Professur „Angewandte Physik kondensierter Materie". Diese Materialien erzeugen unter Druck eine elektrische Spannung und sind damit ideal geeignet für den Einsatz in Drucksensoren, Tastaturen oder Ultraschallgeräten, zum Beispiel für Medizin und Meerestechnik.

Was hier wie eine verödete Berglandschaft aussieht,
ist in Wirklichkeit ein Schnitt durch eine Polymerfolie
aus zellulärem Polypropylen.
Abb. WTT Processes, Finnland

Neben der passiven Nutzung von Polymeren, zum Beispiel als Isolations-, oder Konstruktionsmaterial, werden diese zunehmend als aktive Materialien in Sensor- oder Aktorkonzepten eingesetzt. Basierend auf der Eigenschaft mancher Polymere, bei Temperaturänderung eine elektrische Spannung zu erzeugen (pyroelektrische Polymere), wurden Infrarotdetektoren entwickelt.

Das größte Anwendungspotential haben aktive Polymere jedoch auf Grund ihrer spannungserzeugenden Eigenschaften bei der Nutzung als elektromechanische Wandler, zum Beispiel als strukturierte Drucksensoren und Aktoren, Mikrofone, Lautsprecher, Tastaturen sowie Ultraschallsensoren für Anwendungen in der Medizin und in der Meerestechnik.

Diese Entwicklung setzte im Jahr 1971 mit der Entdeckung der so genannten piezoelektrischer Eigenschaften am Material Polyvinylidenfluorid ein. Es folgten eine stetige Verbesserung der Präparations- und Fertigungsbedingungen, die Untersuchung der physikalisch-chemischen Grundlagen der piezoelektrischen Aktivität sowie die Entwicklung neuer, in der Regel polarer piezoelektrischer Polymere.

Dr. Michael Wegener
arbeitet an der Professur
„Angewandte Physik
kondensierter Materie"
Foto: Fritze

Aktuelle Arbeiten beschäftigen sich mit porösen Polymeren, die bis zu zehn mal größere piezoelektrische Effekte aufweisen als die nicht porösen Materialien. Dazu werden den Polymeren während der Herstellung der Polymerfolien kristalline Zusatzstoffe, wie Kalziumkarbonat, beigesetzt. Beim anschließenden Auseinanderziehen der Polymerfolien erfolgt ein Aufreißen der Polymerfolien im Bereich der eingelagerten Zusatzstoffe, wodurch linsenförmige Hohlräume von 10 bis 100 Mikrometer Länge und ein bis fünf Mikrometer Höhe erzeugt werden. In diesen Hohlräumen wird durch elektrische Aufladung der äußeren Polymeroberflächen eine Ladungstrennung sowie Speicherung dieser Ladungen an den Oberflächen der Hohlräume hervorgerufen. So präparierte Polymere zeigen eine piezoelektrische Aktivität von etwa 500 Pikocoulomb pro Newton, zehn mal mehr als die polaren, nicht porösen Materialien und ermöglichen so eine enorme Erhöhung der Sensitivität von Sensoren.

Die Arbeiten an der Professur „Angewandte Physik kondensierter Materie" konzentrieren sich mit Förderung der Europäischen Union und des Bundesministeriums für Wirtschaft auf die Entwicklung neuer sowie auf die Nutzung bereits vorhandener poröser piezoelektrischer Polymere. Dabei werden Technologien zur Herstellung poröser Polymere sowie zu ihrer elektrischen Aufladung erforscht und optimiert. Ein wesentlicher Schwerpunkt besteht in der Untersuchung der Ursachen der hohen piezoelektrischen Aktivität poröser Polymere, insbesondere der elektrischen Aufladung sowie dem Einfluss mechanischer Eigenschaften. Basierend auf den strukturellen Besonderheiten der porösen Polymere, etwa einer guten akustischen Ankopplung an Luft, erfolgt in Kooperation mit industriellen Unternehmen die Entwicklung neuartiger elektromechanischer Wandler, zum Beispiel großflächiger Lautsprecher, einhergehend mit Arbeiten zur Präparation dünner Schichten zur Kontaktierung polymerer Wandlermaterialien und zur elektronischen Beschaltung von Wandlern.

Michael Wegener