Кристали, що випромінюють електрику: матеріал майбутнього

Японські винахідники створили поліпшені п'єзоелектрики - прозорі кристали, які знадобляться при розробці техніки нового покоління.

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 не тільки призвести до поліпшення якості медичних фотографій, але і до створення невидимих роботів і сенсорних екранів, які активуються при торканні без сторонніх акумуляторів.

Не займайтеся самолікуванням! У наших статтях ми збираємо останні наукові дані і думки авторитетних експертів у сфері здоров'я. Але пам'ятайте: поставити діагноз і призначити лікування може тільки лікар.

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

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

Ця властивість робить п'єзоелектрики надзвичайно корисними в широкому спектрі застосувань. Біоінженер Шрі-Раджасехар Котапаллі 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. Тим не менш, непрозорі перетворювачі відкидають невелику тінь, а значить тканина безпосередньо під ними відобразити не вийде. Щоб обійти цю проблему, дослідники створили перетворювачі, які 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 ніобата свинцю і титанату свинцю (PMN-PT), був сегнетоелектриком, який природним чином живить електричні диполі. Дослідники вже перетворювали ці матеріали на 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 Пенсільванія. 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 в усіх напрямках. Використовуючи змінний струм, команда вирівняла діполі, а потім за допомогою нагріву і полірування зробила матеріал прозорим і надала йому п'єзоелектричні властивості, в 50 разів більш потужні, ніж у звичайних прозорих п'єзоелектриків. Результат роботи представлено 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 і меланоми до відстеження кровотоку для лікування судинних захворювань. Дослідники повідомляють, що цей прогрес може також надихнути інженерів на створення прозорих приводів для невидимої робототехніки та екранів, які приводяться в дію при дотику.