Veda a výskum

Flexoelektricita

prof. Ing. Ján Sládek, DrSc.

USTARCH SAV

Piezoelektricky efekt sa vyskytuje iba v úzkej triede materiálov s nie centrosymetrickym usporiadaním atomov v kryštáli. Pri tomto jave sa elektricky náboj indukuje v kryštáli, ak sa deformuje. Táto vlastnosť sa začína využívať v tzv. inteligentných (smart) konštrukciach, kde môžeme monitorovať ich stav v reálnom čase. No piezoelektrický efekt v prírodnych materiáloch je dosť slabý a väčšina materiálov v prírode ma centro symetrické usporiadanie atomov.
Vektor polarizácie v prirodzenom piezoelektrickom materiáli je proporcionálny tenzoru deformácii duhého rádu s koeficientami úmernosti tvoriacimi tenzor tretieho rádu, nazvaného tenzor piezoelektrických materiálových koeficientov. Pri nerovnomernej deformácii dostávame odozvu podobnú piezoelektrickej dokonca v materiáloch s centrosymetriou ak uvažujeme aj gradienty deformácií. Tento jav sa volá flexoelektricita, kde generovanie elektrickej polarizácie je spôsobené gradientom pretvorení. Ak gradient deformácií vytvorený v dielektrickom materiáli je dostatočne veľký, nastane porušenie centrosymetrie materiálu v atomistickej škále, čím sa oddelia kladne a záporne nabité centrá v dôsledku narušenia centrosymetrie. Flexoelektrický efekt bol pozorovaný nerovnomerným pretváraním grafénových nano-pásikov, ktorý zjavne nie je piezoelektrický materiál (Obr.1).
Cieľom našeho výskumu je optimálny návrch pokročilých metamateriálov pre monitorovanie zdravia (funkčnosti) konštrukcií. Pre tento účel je potrebné vyvinúť spoľahlivú výpočtovú metódu založenú na gradientnej teórii, kde rozmerovo-veľkostný efekt je uvažovaný zahrnutím jednak gradientov deformácií v konštitutívnych vzťahoch pre tenzor gradientných napätí a vektor elektrickej indukcie ako aj gradientov vektora elektrickej intenzity v konštitutívnej rovnici pre napätie a quadrupólový moment.
Pokroky vo výskume flexoelektricity umožnia navrhovať nový typ deformačno-gradientných senzorov (SGS) pre vysoko citlivú detekciu gradientov deformácií.

Image1

Obr. 1 Závislosť polarizačného vektora na gradiente deformácií pre grafén