Piezoelektrisk effekt: Nyt i strid om plastik med spøjs egenskab

Et stykke plastik med det lidet mundrette navn polyvinylidenfluorid lyder måske ikke af noget særligt.

Men plastikmaterialet har en kuriøs egenskab: Når man sætter strøm til det, vil det trække sig sammen og rent fysisk blive mindre.

Blandt materialeforskere har den særlige egenskab været genstand for undren og debat – for hvordan i alverden trækker plastikket sig sammen?

I en ny undersøgelse kommer danske og tyske forskere med en helt ny forklaring på det spøjse fænomen.

»Som videnskabsmand er det altid fedt at kaste sig ud i noget med kontroverser. Hidtil har der været to modstridende forklaringer på, hvorfor materialet opfører sig, som det gør. Men nu mener vi, at vi endelig har fundet svaret,« fortæller professor Martin Medom Nielsen, som er en af forskerne bag den nye undersøgelse.

Hvad er piezoelektrisk effekt?

Før vi borer dybere ned i striden om polyvinylidenfluorids kuriøse evner, skal vi have styr på et grundlæggende begreb: Den piezoelektriske effekt.

Og hvorfor så det, tænker du måske?

• For det første fordi hovedpersonen i den nye undersøgelse – polyvinylidenfluorid – har piezoelektriske egenskaber.
  
• Og for det andet, fordi fænomenet faktisk findes mange steder i din hverdag.

Den piezoelektriske effekt har været kendt i mere end 100 år, og i dag udnyttes fænomenet i lightere, ure, ultralydsskanninger, radioer, højttalere, sonar og meget andet.

Kort fortalt er den piezoelektriske effekt en egenskab, som findes i en række materialer, typisk krystaller, biologisk materiale eller visse typer af plastik.

Når man udsætter et piezoelektrisk materiale for mekanisk stres – for eksempel presser eller gnider på det med fingrene – opstår der naturligt en elektrisk spænding over materialet.

»Man forsøger for eksempel at udnytte effekten ved at lave særlige belægninger på dansegulv eller sko, sådan at der bliver genereret strøm fra føddernes tryk,« fortæller Kasper Nørgaard, som er lektor ved Kemisk Institut på Københavns Universitet.

Materialer udvider sig med strøm

Den piezoelektriske effekt fungerer også omvendt: Frem for at skabe elektricitet ved at udsætte materialet for et tryk eller pres, kan man få materialet til at udvide sig ved at udsætte det for elektricitet.

Med andre ord bliver materialet altså større, hvis man sætter strøm til det.

»Det er kendt som den omvendte piezoelektriske effekt. Alle piezoelektriske materialer udvider sig, når man sætter et elektrisk felt på det. Men det materiale, vi har undersøgt, gør det modsatte – det trækker sig sammen. Og man har længe diskuteret, hvorfor det opfører sig modsat alle andre piezoelektriske materialer,« forklarer Martin Medom Nielsen, som er professor ved Institut for Fysik på Danmarks Tekniske Universitet (DTU).

For at løse mysteriet benyttede Martin Medom Nielsen og hans kolleger en avanceret metode, som de har forfinet igennem en årrække.

Simpelt forklaret filmede de simpelthen plastikmaterialets molekyler med et avanceret røntgenkamera, imens materialet blev udsat for et elektricitet – og trak sig sammen.

»Det interessante ved undersøgelsen er i høj grad røntgenteknikken. Det er utrolig elegant, at de kan lave en røntgenundersøgelse af materialet, mens de sender strøm igennem det. Teknikken viser jo bevægelser, som er meget små – det er fascinerende, at det kan lade sig gøre,« siger lektor Kasper Nørgaard, som ikke har været en del af den nye undersøgelse.

Forsonende svar på mysteriet

Den avancerede røntgenteknik gjorde forskerne i stand til at komme med en løsning på striden om, hvordan polyvinylidenfluorid-materialet trækker sig sammen.

»Man kan sige, at der hidtil har været to forskellige skoler med hver sin forklaring på, hvorfor materialet opfører sig sådan. I den nye undersøgelse foreslår forskerne, at det faktisk er en kombination af de to forklaringer, som er den rigtige forklaring,« siger Kasper Nørgaard, som er lektor ved Kemisk Institut på Københavns Universitet.

Polyvinylidenfluorid er et materiale af typen polymer. Zoomer man helt ind på polymerer, er materialet blandt andet karakteristisk ved, at det både er opbygget af molekyler, som sidder i en velordnet struktur, og molekyler, som sidder ‘hulter til bulter’.

På den måde adskiller polymerer sig eksempelvis fra krystaller, som udelukkende har en meget velordnet krystal-struktur på sine byggesten.

»Alle polymermaterialer er som regel en blanding af forskellige strukturer – der er en ordnet struktur og en ikke-ordnet struktur. Kontroversen omkring vores materiale (polyvinylidenfluorid, red.) har været, om det var den ordnede struktur eller den ikke-ordnede struktur, som gav anledning til, at det trak sig sammen. Men der kan vi se, at det faktisk er begge dele, som har betydning,« forklarer Martin Medom Nielsen fra DTU.

Med andre ord er det altså både de pænt ordnede og de rodede byggesten i polyvinylidenfluorid, som rykker tættere sammen, når forskerne sætter strøm til materialet.

»Det er jo spændende i sig selv. Man kan jo godt begynde at spekulere over, om andre materialer kan opføre sig på samme måde. Men indtil videre kender vi kun dette her eksempel på det,« siger Kasper Nørgaard fra Københavns Universitet.

Hvad kan det bruges til?

Hvad kan vi så bruge den nye viden til – ud over at løse en videnskabelig strid mellem materialeforskere?

»Det er jo altid rart at kunne forstå et fænomen, man har observeret. Så det er egentlig grundvidenskab, som handler mest om at få en viden og forståelse, vi ikke havde før. Lige umiddelbart har jeg ikke en ide til, hvordan den nye viden vil kunne anvendes.«

»Men jeg skal ikke kunne afvise, at man en dag vil kunne udnytte, at materialet opfører sig på en usædvanlig måde. Og når vi ved hvorfor, vil vi kunne videreudvikle egenskaben og gøre den bedre i næste generation af materialer,« lyder konklusionen fra Martin Medom Nielsen.

Den nye undersøgelse er publiceret i det videnskabelige tidsskrift Nature Materials.