Japanske opfindere har skabt forbedrede piezoelektrik - gennemsigtige krystaller, der vil være nyttige i udviklingen af ny generation af teknologi.
Nogle krystallinske materialer har måder at ændre deres form på, når de bliver ramt af et elektrisk stød. Forskere har brugt disse såkaldte piezoelektrik i ultralydmedicin i årtier: materialer, der er baseret på dem, er så følsomme, at de kan registrere bevægelsen af lydbølger, der passerer gennem væv. Forskere kom for nylig med en ny måde at skabe kraftig gennemsigtig piezoelektrik, der ikke kun kunne forbedre kvaliteten af medicinske fotografier, men også skabe usynlige robotter og berøringsskærme, der aktiveres, når de berøres uden tredjepartsbatterier.
Piezoelektrik er sammensat af mange små krystaller eller enkeltkrystaller af forskellige materialer, herunder keramik og polymerer. I begge tilfælde forvandles blandingen af atomer til en simpel krystallinsk enhed - som regel et par atomer i størrelse - der gentages igen og igen. Inde i hver af disse byggesten er atomerne placeret i det, der kaldes en elektrisk dipol, med en masse positive ladninger på den ene side og en masse negative ladninger på den anden.
Anvendelse af tryk på disse materialer kan subtilt ændre atomenes position, hvilket er nok til at omarrangere ladninger og generere elektrisk spænding. Påføring af elektrisk spænding har den modsatte virkning, hvilket får materialet til at ekspandere i den ene retning og trække sig sammen i den anden.
Denne egenskab gør piezoelektrik ekstremt nyttig i en lang række anvendelser. Bioingeniør Sri Rajasekhar Kotapalli bemærker, at piezoelektriske enheder er en del af alt fra tændere og grill grillknapper til præcisionssystemerne i moderne mikroskoper.
De er også nødvendige til fotoakustisk billeddannelse, hvor en piezoelektrisk enhed kaldet en transducer bruges til at detektere ultralydsbølger, der udsendes af blødt væv, når lys fra en laser absorberes. Forskellige molekyler - fra hæmoglobin til melanin - absorberer forskellige frekvenser, så læger kan visualisere forskellige typer væv for at se efter helbredsproblemer. Imidlertid kaster uigennemsigtige transducere en lille skygge, hvilket betyder, at stoffet direkte under dem ikke kan vises. For at omgå dette problem har forskere oprettet transducere ved hjælp af gennemsigtig piezoelektrik, men indtil videre har disse materialer været for svage og upålidelige til endelig at løse problemet.
For flere år siden kom forskere i Japan med en genial måde at skabe gennemsigtig piezoelektrik. Deres valgmateriale, en forbindelse af blyniobat og blytitanat (PMN-PT), var en ferroelektriker, der naturligt driver elektriske dipoler. Forskere har allerede konverteret disse materialer til piezoelektrik ved at udsætte dem for en elektrisk jævnstrøm. Men det japanske hold fandt, at hvis man udsætter dem for vekselstrøm - fra dem, der leveres til huse og virksomheder - genererer det en kraftig piezoelektricitet.”Det er som at ryste krystallen frem og tilbage,” forklarer Long-Qing Chen, en Pennsylvania-baseret beregningsvidenskabsmand. En sådan omrystning kunne fordoble krystalens piezoelektriske egenskaber, som det japanske team annoncerede tilbage i 2011.
PMN-PT er normalt uigennemsigtig, fordi individuelle grupper af dipoler spreder lys i alle retninger. Ved hjælp af vekselstrøm fladt holdet dipolerne ud, opvarmedes og polerede materialet til gennemsigtige og piezoelektriske egenskaber 50 gange mere kraftfulde end konventionelle transparente piezoelektriske materialer. Resultatet af arbejdet præsenteres i tidsskriftet Nature.
Salgsfremmende video:
Forbedret piezoelektrik kan bruges til at gøre mere følsomme fotoakustiske billeddannelsesapparater, der kan hjælpe klinikere med alt fra påvisning af brystkræft og melanom til overvågning af blodgennemstrømning til behandling af vaskulær sygdom. Forskerne rapporterer, at dette fremskridt også kan inspirere ingeniører til at skabe gennemsigtige aktuatorer til usynlig robotik og skærme, der aktiveres ved berøring.
Vasily Makarov