Japanse uitvinders hebben verbeterde piëzo-elektrische componenten gemaakt - transparante kristallen die nuttig zullen zijn bij de ontwikkeling van een nieuwe generatie technologie.
Sommige kristallijne materialen hebben manieren om van vorm te veranderen wanneer ze worden geraakt door een elektrische schok. Wetenschappers gebruiken deze zogenaamde piëzo-elektronica al decennia in de ultrasone geneeskunde: materialen die erop zijn gebaseerd, zijn zo gevoelig dat ze de beweging van geluidsgolven die door weefsels gaan, kunnen detecteren. Onderzoekers hebben onlangs een nieuwe manier bedacht om krachtige transparante piëzo-elektrische systemen te maken die niet alleen de kwaliteit van medische foto's kunnen verbeteren, maar ook onzichtbare robots en aanraakschermen kunnen maken die worden geactiveerd wanneer ze worden aangeraakt zonder batterijen van derden.
Piëzo-elektrische componenten zijn samengesteld uit vele minuscule kristallieten of eenkristallen van verschillende materialen, waaronder keramiek en polymeren. In beide gevallen verandert het mengsel van atomen in een eenvoudige kristallijne eenheid - meestal een paar atomen groot - die zich keer op keer herhaalt. Binnen elk van deze bouwstenen bevinden atomen zich in wat een elektrische dipool wordt genoemd, met veel positieve ladingen aan de ene kant en veel negatieve ladingen aan de andere kant.
Door druk uit te oefenen op deze materialen kan de positie van de atomen op subtiele wijze veranderen, wat voldoende is om ladingen te herschikken en elektrische spanning te genereren. Het aanleggen van elektrische spanning heeft het tegenovergestelde effect, waardoor het materiaal in de ene richting uitzet en in de andere richting samentrekt.
Deze eigenschap maakt piëzo-elektrische energie uitermate nuttig in een breed scala aan toepassingen. Bio-ingenieur Sri Rajasekhar Kotapalli merkt op dat piëzo-elektrische apparaten deel uitmaken van alles, van aanstekers en barbecuegrillknoppen tot de precisiesystemen van moderne microscopen.
Ze zijn ook vereist voor fotoakoestische beeldvorming, waarbij een piëzo-elektrisch apparaat, een transducer genaamd, wordt gebruikt om ultrasone golven te detecteren die worden uitgezonden door zacht weefsel wanneer licht van een laser wordt geabsorbeerd. Verschillende moleculen - van hemoglobine tot melanine - absorberen verschillende frequenties, zodat artsen verschillende soorten weefsel kunnen visualiseren om gezondheidsproblemen op te sporen. Ondoorzichtige transducers werpen echter een kleine schaduw, wat betekent dat de stof direct eronder niet kan worden weergegeven. Om dit probleem te omzeilen, hebben onderzoekers transducers gemaakt met behulp van transparante piëzo-elektrische systemen, maar tot nu toe waren deze materialen te zwak en onbetrouwbaar om het probleem uiteindelijk op te lossen.
Enkele jaren geleden bedachten onderzoekers in Japan een ingenieuze manier om transparante piëzo-elektriciteit te maken. Het materiaal dat ze kozen, een verbinding van loodniobaat en loodtitanaat (PMN-PT), was een ferro-elektrisch materiaal dat van nature elektrische dipolen aandrijft. Onderzoekers hebben deze materialen al omgezet in piëzo-elektriciteit door ze bloot te stellen aan een elektrische gelijkstroom. Maar het Japanse team ontdekte dat blootstelling aan wisselstroom - van de stroom die aan huizen en bedrijven wordt geleverd - een krachtige lading piëzo-elektriciteit genereert. "Het is alsof je het kristal heen en weer schudt", legt Long-Qing Chen uit, een computerwetenschapper uit Pennsylvania. Zo'n opschudding zou de piëzo-elektrische eigenschappen van het kristal kunnen verdubbelen, zoals het Japanse team in 2011 aankondigde.
PMN-PT is meestal ondoorzichtig omdat individuele groepen dipolen het licht in alle richtingen verstrooien. Met wisselstroom maakte het team de dipolen plat en verwarmde en polijstte het materiaal tot transparante en piëzo-elektrische eigenschappen die 50 keer krachtiger waren dan conventionele transparante piëzo-elektrische materialen. Het resultaat van het werk wordt gepresenteerd in het tijdschrift Nature.
Promotie video:
Verbeterde piëzo-elektrische apparatuur kan worden gebruikt om gevoeliger fotoakoestische beeldvormingsapparaten te maken die clinici kunnen helpen bij alles, van het detecteren van borstkanker en melanoom tot het bewaken van de bloedstroom om vaatziekten te behandelen. De onderzoekers melden dat deze vooruitgang ingenieurs ook kan inspireren om transparante actuatoren te maken voor onzichtbare robotica en schermen die worden geactiveerd door aanraking.
Vasily Makarov
