Japanske oppfinnere har laget forbedret piezoelektrikk - transparente krystaller som vil være nyttige i utviklingen av ny generasjon teknologi.
Noen krystallinske materialer har måter å endre form når de blir rammet av et elektrisk støt. Forskere har brukt disse såkalte piezoelectrics i ultralydmedisin i flere tiår: materialer basert på dem er så følsomme at de kan oppdage bevegelsen til lydbølger som går gjennom vev. Forskere kom nylig på en ny måte å lage kraftig gjennomsiktig piezoelektrikk som ikke bare kunne forbedre kvaliteten på medisinske fotografier, men også lage usynlige roboter og berøringsskjermer som aktiveres når de berøres uten tredjepartsbatterier.
Piezoelectrics består av mange ørsmå krystallitter eller enkeltkrystaller av en rekke materialer, inkludert keramikk og polymerer. I begge tilfeller blir blandingen av atomer om til en enkel krystallinsk enhet - vanligvis noen få atomer i størrelse - som gjentas om og om igjen. Inne i hver av disse byggesteinene er atomer plassert i det som kalles en elektrisk dipol, med mange positive ladninger på den ene siden og mange negative ladninger på den andre.
Å bruke trykk på disse materialene kan subtile endre atomenes plassering, noe som er nok til å omorganisere ladninger og generere elektrisk spenning. Å påføre elektrisk spenning har motsatt effekt, og får materialet til å utvide seg i den ene retningen og trekke seg sammen i den andre.
Denne egenskapen gjør piezoelektrikk ekstremt nyttig i en rekke bruksområder. Bioingeniør Sri Rajasekhar Kotapalli bemerker at piezoelektriske enheter er en del av alt fra lightere og grillknapper til presisjonssystemene i moderne mikroskop.
De er også nødvendige for fotoakustisk avbildning, der en piezoelektrisk enhet kalt en svinger brukes til å oppdage ultralydbølger som sendes ut av bløtvev når lys fra en laser absorberes. Ulike molekyler - fra hemoglobin til melanin - absorberer forskjellige frekvenser, slik at leger kan visualisere forskjellige typer vev for å se etter helseproblemer. Ugjennomsiktige transdusere kaster imidlertid en liten skygge, noe som betyr at stoffet rett under dem ikke kan vises. For å komme seg rundt dette problemet, har forskere laget transdusere ved hjelp av gjennomsiktig piezoelektrikk, men så langt har disse materialene vært for svake og upålitelige til å definitivt løse problemet.
For flere år siden fant forskere i Japan opp på en genial måte å lage gjennomsiktig piezoelektrikk. Deres valgte materiale, en forbindelse av blyniobat og blytitanat (PMN-PT), var en ferroelektrisk som naturlig driver elektriske dipoler. Forskere har allerede konvertert disse materialene til piezoelektrikk ved å utsette dem for en likestrøm elektrisk strøm. Men det japanske teamet fant ut at å utsette dem for vekselstrøm - fra de som blir levert til hjem og bedrifter - genererer en kraftig belastning av piezoelektrisitet. "Det er som å riste krystallen frem og tilbake," forklarer Long-Qing Chen, en Pennsylvania-basert beregningsforsker. En slik rystelse kan doble de piezoelektriske egenskapene til krystallen, slik det japanske teamet kunngjorde tilbake i 2011.
PMN-PT er vanligvis ugjennomsiktig fordi individuelle grupper av dipoler sprer lys i alle retninger. Ved bruk av vekselstrøm flatet teamet dipolene, oppvarmet og polerte materialet til transparente og piezoelektriske egenskaper 50 ganger kraftigere enn konvensjonelle transparente piezoelektriske materialer. Resultatet av arbeidet presenteres i tidsskriftet Nature.
Salgsfremmende video:
Forbedret piezoelektrikk kan brukes til å lage mer følsomme fotoakustiske avbildningsapparater som kan hjelpe klinikere med alt fra å oppdage brystkreft og melanom til å overvåke blodstrømmen for å behandle vaskulær sykdom. Forskerne rapporterer at denne fremgangen også kan inspirere ingeniører til å lage transparente aktuatorer for usynlig robotikk og skjermer som aktiveres ved berøring.
Vasily Makarov
