Ученые Института математических проблем биологии РАН смоделировали пьезоэлектрические свойства нового композитного материала с графеном. Модель позволила выбрать оптимальную структуру пьезоактивного композита в виде сэндвича из слоя полимера между двумя слоями оксида графена.

Пьзезоэлектрический эффект, когда вещество при деформации продуцирует электричество и, наоборот, меняет форму под действием тока, давно и широко применяется в технике и в быту (например, пьезозажигалки или светящаяся обувь). Сначала долгое время в качестве пьезоэлектриков использовали твердые кристаллические вещества (кварц, турмалин). Лишь в 1960-х годах появились первые коммерческие пьезоэлектрические полимеры, которые в силу своей пластичности и гибкости значительно расширили сферу практического использования пьезоэлектрического эффекта. С тех пор химики создают все новые и новые пьезоактивные полимерные и композитные материалы, счет которых идет уже на сотни.

В 2012 году пьезоэлектрические свойства были открыты у одной из разновидностей графена. Появилась возможность создавать пьезоактивные наноматериалы, еще больше расширяющие область гражданского и военного применения пьезоэлектричества. Свой вклад в разработку таких наноматериалов внесли ученые из Московского института электронной техники, которые поставили себе цель повысить пьезоэлектический эффект тонкой пленки сополимера поливинилиденфторида (ПВДФ) и политрифторэтилена (ПТФЭ) за счет добавки в композит оксида графена (GO).

Однако в экспериментах вместо ожидаемого увеличения пьезоэлектрического коэффициента они получили его уменьшение. К их работе подключились математики из группы компьютерного моделирования наноструктур ИМПБ, которые построили модели разных возможных взаимодействий графеновой пленки с полимером и сымитировали электрическое поле. Их компьютерные модели показали, что при концентрации графена в композите 1% пьезоэффект действительно сильно снижается, но при повышении концентрации начинает увеличиваться. А при дальнейшем моделировании наноструктуры композита стала понятна и причина отрицательного действия графена на пьезоэлектрические свойства полимерного композита. Они пропадали при образовании двухслойной структуры ПВДФ / GO, но резко усиливались, когда композит строится по принципу сэндвича GO / ПВДФ / GO.

На сегодня композиты на основе ПВДФ характеризуются более высокими пьезоэлектрическими коэффициентами по сравнению с другими полимерными материалами, а в присутствии графена пьезоэлектрическая активность композита станет еще выше. Таким образом, совместная работа химиков и математиков открывает путь для создания нового класса весьма перспективных пьезоэлектрических наноматериалов.

Татьяна Небольсина