Inventatorii japonezi au creat piezoelectricele îmbunătățite - cristale transparente, care vor fi utile în dezvoltarea tehnologiei de nouă generație.
Unele materiale cristaline au moduri de a-și schimba forma atunci când sunt lovite de un șoc electric. Oamenii de știință au folosit aceste așa-numite piezoelectrice în medicina cu ultrasunete de zeci de ani: materialele bazate pe ele sunt atât de sensibile încât pot detecta mișcarea undelor sonore care trec prin țesuturi. Cercetătorii au creat recent o nouă modalitate de a crea piezoelectrice puternice transparente, care nu numai că pot îmbunătăți calitatea fotografiilor medicale, ci și creează roboți invizibili și ecrane tactile care se activează atunci când sunt atinse fără baterii terțe.
Piezoelectricele sunt compuse din numeroase cristale minuscule sau cristale unice din diverse materiale, inclusiv ceramică și polimeri. În ambele cazuri, amestecul de atomi se transformă într-o unitate simplă cristalină - de obicei câțiva atomi în dimensiune - care se repetă din nou. În fiecare dintre aceste blocuri de construcție, atomii sunt situați în ceea ce se numește dipol electric, cu o mulțime de sarcini pozitive pe o parte și o mulțime de sarcini negative pe cealaltă parte.
Aplicarea presiunii acestor materiale poate modifica în mod subtil poziția atomilor, ceea ce este suficient pentru a rearanja sarcinile și a genera tensiunea electrică. Aplicarea tensiunii electrice are efect opus, determinând extinderea materialului într-o direcție și contractarea în cealaltă.
Această proprietate face piezoelectrică extrem de utilă într-o mare varietate de aplicații. Bioenginerul Sri Rajasekhar Kotapalli observă că dispozitivele piezoelectrice fac parte din orice, de la brichete și butoane de grătar la grătar până la sistemele de precizie ale microscopurilor moderne.
De asemenea, sunt necesare pentru imagini fotoacustice, în care un dispozitiv piezoelectric numit traductor este utilizat pentru a detecta undele ultrasonice emise de țesutul moale atunci când lumina de la un laser este absorbită. Diferite molecule - de la hemoglobină la melanină - absorb frecvențe diferite, astfel încât medicii pot vizualiza diferite tipuri de țesut pentru a căuta probleme de sănătate. Cu toate acestea, traductoarele opace aruncă o umbră mică, ceea ce înseamnă că materialul direct de sub ele nu poate fi afișat. Pentru a rezolva această problemă, cercetătorii au creat traductoare folosind piezoelectrică transparentă, dar până acum aceste materiale au fost prea slabe și lipsite de încredere pentru a rezolva definitiv problema.
Cu câțiva ani în urmă, cercetătorii din Japonia au venit cu un mod ingenios de a crea piezoelectrică transparentă. Materialul lor la alegere, un compus de niobat de plumb și titanat de plumb (PMN-PT), a fost un ferroelectric care alimentează în mod natural dipolii electrici. Cercetătorii au transformat deja aceste materiale în piezoelectrice, expunându-le la un curent electric continuu. Dar echipa japoneză a descoperit că expunerea acestora la curent alternativ - de la cele furnizate la case și întreprinderi - generează o încărcătură puternică de piezoelectricitate. „Este ca și cum ai agita cristalul înainte și înapoi”, explică Long-Qing Chen, un om de știință de calcul din Pennsylvania. O astfel de scuturare ar putea dubla proprietățile piezoelectrice ale cristalului, după cum a anunțat echipa japoneză în 2011.
PMN-PT este de obicei opac, deoarece grupuri individuale de dipoli împrăștie lumina în toate direcțiile. Folosind curent alternativ, echipa a aplatizat dipolii, apoi a încălzit și șlefuit materialul cu proprietăți transparente și piezoelectrice de 50 de ori mai puternice decât materialele piezoelectrice transparente convenționale. Rezultatul lucrării este prezentat în revista Nature.
Video promotional:
Piezoelectricele îmbunătățite pot fi utilizate pentru a face dispozitive de imagini fotoacustice mai sensibile, care pot ajuta clinicienii cu orice, de la detectarea cancerului de sân și a melanomului până la monitorizarea fluxului de sânge pentru tratarea bolilor vasculare. Cercetătorii raportează că acest progres poate inspira și inginerii să creeze actuatoare transparente pentru robotica invizibilă și ecrane care sunt activate prin atingere.
Vasily Makarov
