Технології

Кристали, що випромінюють електрику: матеріал майбутнього

Японські винахідники створили покращені п’єзоелектрики — прозорі кристали, які стануть в нагоді при розробці техніки нового покоління.

Кристаллы, излучающие электричество: материал будущего

Деякі кристалічні матеріали здатні змінювати свою форму, якщо вдарити їх струмом. Вчені десятиліттями використовували ці так звані п’єзоелектрики в ультразвуковій медицині: матеріали на їх основі настільки чутливі, що можуть вловити рух звукових хвиль, що проходять крізь тканини. Нещодавно дослідники придумали новий спосіб створення потужних прозорих п’єзоелектриків, які могли б привести не тільки до поліпшення якості медичних фотографій, але і до створення невидимих роботів і сенсорних екранів, які активуються при торканні без сторонніх акумуляторів.

П’єзоелектрики складаються з безлічі крихітних кристалітів або монокристалів різних матеріалів, включаючи кераміку і полімери. В обох випадках суміш атомів перетворюється в просту кристалічну одиницю — зазвичай розміром з кілька атомів — яка повторюється знову і знову. Усередині кожного з цих будівельних блоків атоми розташовані в так званому електричному диполі, з великою кількістю позитивних зарядів на одній стороні і великою кількістю негативних зарядів на інший.

Застосування тиску до цих матеріалів може тонко змінити положення атомів, чого достатньо для перегрупування зарядів і виробництва електричної напруги. Застосування електричної напруги надає протилежний ефект, змушуючи матеріал розширюватися в одному напрямку і стискуватися в іншому.

Ця властивість робить п’єзоелектрики надзвичайно корисними в широкому спектрі застосувань. Біоінженер Шрі-Раджасехар Котапалли зазначає, що п’єзоелектричні пристрої є частиною всього: від запальничок і кнопок барбекю-гриля до точних систем сучасних мікроскопів.

Вони також необхідні для фотоакустичної візуалізації, в якій п’єзоелектричний пристрій, званий перетворювачем, використовується для виявлення ультразвукових хвиль, випромінюваних м’якими тканинами при поглинанні світла від лазера. Різні молекули — від гемоглобіну до меланіну — поглинають різні частоти, тому лікарі можуть візуалізувати різні види тканин для виявлення проблем зі здоров’ям. Однак, непрозорі перетворювачі відкидають невелику тінь, а значить тканину безпосередньо під ними відобразити не вийде. Щоб обійти цю проблему, дослідники створили перетворювачі, що використовують прозорі п’єзоелектрики, але досі ці матеріали були занадто слабкими і ненадійними, щоб остаточно вирішити проблему.

Кілька років тому дослідники в Японії придумали оригінальний спосіб створення прозорих п’єзоелектриків. Обраний ними матеріал, з’єднання ніобату свинцю і титанату свинцю (PMN-PT), був сегнетоелектриком, який природним чином живить електричні диполі. Дослідники вже перетворювали ці матеріали в п’єзоелектрики, піддаючи їх впливу електричного струму постійного струму. Але японська команда виявила, що вплив на них змінним струмом — тим, що подається в будинки і на підприємства — виробляє потужний заряд п’єзоелектрики.

«Це все одно, що трясти кристал взад-вперед», пояснює Лонг-Цин Чен, фахівець з обчислювальних матеріалів зі штату Пенсильванія.
Подібний струс може подвоїти п’єзоелектричні властивості кристала, про що японська команда заявляла ще в 2011 році.

Зазвичай PMN-PT непрозорий, оскільки окремі групи диполів розсіюють світло у всіх напрямках. Використовуючи змінний струм, команда вирівняла диполі, а потім за допомогою нагрівання і полірування зробила матеріал прозорим і надала йому п’єзоелектричні властивості, в 50 разів потужніші, ніж у звичайних прозорих п’єзоелектриків. Результат роботи представлений в журналі Nature.

П’єзоелектрики з поліпшеними характеристиками можуть бути використані у виробництві більш чутливих пристроїв фотоакустичної візуалізації, які можуть допомогти лікарям у всьому: від виявлення раку молочної залози та меланоми до відстеження кровотоку для лікування судинних захворювань. Дослідники повідомляють, що цей прогрес може надихнути інженерів на створення прозорих приводів для невидимої робототехніки і екранів, які приводяться в дію при дотику.

Натхнення: www.popmech.ru

Кнопка «Наверх»
Закрыть