پلیمر پیزو الکتریکی با اهمیت فزاینده

فیزیک پلیمرهای سنگین یکی از شاخه‌های میان رشته‌ای علم مواد است که به پژوهشهای تجربی و نظری ساختار و خواص مولکولهای مصنوعی طویل و مواد تشکیل دهنده آنها اختصاص دارد. پلیمرهای سنگین از لحاظ امکان ایجاد ساختارهای مولکولی گوناگون، نسبت بسیار بزرگ طول به عرض در ابعاد مولکولها، و نا همگنی زیاد نیروهای درون و میان مولکولی بین واحدهای مونومر سازنده ماکرو مولکولها بی نظیر هستند. این ویژگیهای مولکولی باعث به وجود آمدن حالتهای گوناگون بلوری، مایع، لاستیکی، محلول، شیشه‌ای، و بلوری – مایع می‌شود، که این حالتها در مواد ساده غالباً به صورت ترکیبی وجود دارند.
از جمله پژوهشهای معمول در زمینه فیزیک پلیمر سنگین عبارتند از بررسی شکل پلیمر و نحوه تبلور آن، ترمودینامیک و مکانیک آماری، خواص گرمایی، مکانیکی، و الکتریکی کپه‌ای، خاصیت کشسانی لاستیکی، رفتار واهلش، کهنگی و از کار افتادگی، رئولوژی، پخش و خواصی که در نتیجه تجزیه طیف نمودی قابل تشخیص هستند. زمینه‌های پژوهشی فعال مورد علاقه دانشمندان با دست رسی به تکنیکهای آزمایشگاهی، کشف خواص جدید ماده و با ابداع فن آوری جدید که موجد نیازهای جدید است، تغییر می‌کند. مثلاً با استفاده از تسهیلات پراکندگی نوترون می‌توان شکلهای کلی مولکولی را اندازه گرفت و نظریه‌های تفصیلی‌تری در مورد همبندی مولکولی، خواص محلول و تبلور ارائه کرد. با کشف رسانایی فلز گونه و فرو الکتریسیته در پلیمرها طی دهه‌های گذشته، این زمینه‌ها نیز در فیزیک پلیمر گنجانده شده‌اند. نیاز به موادی با چگالی کم و استقامت زیاد و رشد ارتباطات نوری، توجه دانشمندان را به ترکیبهای پلیمری و خواص نوری پلیمرها معطوف ساخت.
نا همگنی بسیار شدید در بلور پلیمر یکی از دلایل اختلافات اساسی میان خواص فیزیکی پلیمرها و سایر مواد است. اتمهای تشکیل دهنده استخوان بندی زنجیر ملکولی با پیوندهای کووالانسی قوی به یک دیگر متصل هستند در حالی که نیروهای نگاه دارنده شاخ و برگ زنجیرها نسبتاً ضعیف هستند. این عدم توازن، بر پاسخ بلور در مقابل تنشهای مکانیکی و الکتریکی اثر می‌گذارد و اغلب باعث ایجاد مجموعه‌ای از خواص فیزیکی غیر معمول می‌شود که توجیه آنها مستلزم بررسی مجدد نظریه‌های مطرح شده معتبر در مورد مواد همگنتر است.
در بررسی پلی وینیلیدن فلوئورید که نام اختصاصی آن PVF2 است، نمونه این امر دیده می‌شود. این ماده به سبب آن که شکل منظم شده‌ای از آن به نام β-PVF2ی «قطب دار» پاسخ شدیدی نسبت به پیزو الکتریک و پیرو الکتریک از خود نشان می‌دهد، از مدتها پیش مورد توجه بوده است. واحدهای CF2 که گشتاور دو قطبی آنها قوی و در حدود 7×10-30 کولن متر است، در فاز βی این پلیمر همگی همسو شده‌اند. فرایند قطب دار شدن که طی آن PVF2 در یک میدان الکتریکی تابکاری می‌شود متضمن آن است که همسو شدن تقریباً در سراسر نمونه در یک جهت روی داده است. چون β-PVF2 می‌تواند به صورت لایه‌ای نازک، با دوام و گسترده تولید شود در وسایلی مانند هیدروفون، بلند گو، دستگاه فتوکپی، رادیو متر، آشکار سازهای تو کار و مدوله کننده نور به کار می‌روند.
در چند سال گذشنه، کار بردهای جالب و جدیدی از این ماده پیشنهاد یا نشان داده شده است. پلی وینیلیدین فلوئورید در دستگاههایی که ضربان الکتریکی به وجود می‌آورند و به این وسیله به جوش خوردن استخوانهای شکسته کمک می‌کنند به کار می‌رود. هم چنین از آن در دستگاههای مولد الکتریسیته از نیروی باد و حتی به عنوان عاملی در گرفتن توان الکتریکی از امواج اقیانوس استفاده می‌شود. یکی از کار بردهای بسیار مورد توجه پلی وینیلیدن فلوئورید کار بردی است که در شاخه دیگری از فیزیک، یعنی آشکار سازی هسته‌های اتمی فرا سنگین، بسیار امید بخش بوده است. سیمسون و توزولینو در دانشگاه شیکاگو نشان دادند که تپ حرارتی حاصل از عبور یک تک هسته اورانیوم از میان لایه نازک β-PVF2، به ضخامت هفت صد میکرو متر، به آسانی از روی علامت پیرو الکتریکی که تولید می‌کند، قابل تشخیص است.
مسئله قابل توجه دیگر، مربوط به دینامیک پاسخ PVF2 نسبت به کنش میدان الکتریکی خارجی است. گروههایی در آزمایشگاه ساندیا و در دانشگاه کیس وسترن ویزرو اساس مطالعات خود را بر روی مدلی قرار دادند که در آن فرایند قطب دار شدن به صورت یک موج مجرد و پیچشی متشکل از قطبش الکتریکی در طول زنجیر پلیمر روی می‌دهد. زنجیرها به نوبت شصت درجه می‌چرخند. پژوهشگران N B S مدل دیگری از قطبش فرو الکتریکی را بر اساس حرکت مرزهای پیچش، یا حرکت دیواره‌های حوزه، پیشنهاد کردند که در آن زنجیرها صد و هشتاد درجه می‌پیچند و حوزه‌های با قطبش مخالف را جدا می‌کنند.