Japonskí vynálezcovia vytvorili vylepšené piezoelektrické materiály - priehľadné kryštály, ktoré budú užitočné pri vývoji technológie novej generácie.
Niektoré kryštalické materiály majú spôsob, ako zmeniť svoj tvar, keď sú zasiahnuté elektrickým prúdom. Vedci používajú tieto takzvané piezoelektriká v ultrazvukovej medicíne už celé desaťročia: materiály na nich založené sú tak citlivé, že dokážu zistiť pohyb zvukových vĺn prechádzajúcich tkanivami. Vedci nedávno prišli s novým spôsobom, ako vytvoriť výkonnú transparentnú piezoelektriku, ktorá by mohla nielen zlepšiť kvalitu lekárskych fotografií, ale tiež vytvoriť neviditeľné roboty a dotykové obrazovky, ktoré sa aktivujú pri dotyku bez použitia batérií tretích strán.
Piezoelektriká sa skladajú z mnohých malých kryštálov alebo monokryštálov z rôznych materiálov vrátane keramiky a polymérov. V obidvoch prípadoch sa zmes atómov zmení na jednoduchú kryštalickú jednotku - zvyčajne niekoľko atómov -, ktorá sa opakuje znova a znova. Vo vnútri každého z týchto stavebných blokov sa atómy nachádzajú v tzv. Elektrickom dipóle, pričom na jednej strane je veľa kladných nábojov a na druhej strane veľa záporných nábojov.
Aplikácia tlaku na tieto materiály môže jemne zmeniť polohu atómov, čo stačí na zmenu usporiadania nábojov a generovanie elektrického napätia. Použitie elektrického napätia má opačný účinok, čo spôsobuje, že sa materiál rozširuje v jednom smere a v druhom sa sťahuje.
Táto vlastnosť robí piezoelektriku veľmi užitočnou v širokej škále aplikácií. Bioinžinier Sri Rajasekhar Kotapalli poznamenáva, že piezoelektrické zariadenia sú súčasťou všetkého od zapaľovačov a tlačidiel na grilovanie na grile po presné systémy moderných mikroskopov.
Vyžadujú sa tiež na fotoakustické zobrazovanie, pri ktorom sa na detekciu ultrazvukových vĺn emitovaných mäkkým tkanivom po absorpcii svetla z lasera používa piezoelektrické zariadenie nazývané menič. Rôzne molekuly - od hemoglobínu po melanín - absorbujú rôzne frekvencie, takže lekári môžu vizualizovať rôzne typy tkanív a hľadať zdravotné problémy. Nepriehľadné prevodníky však vrhajú malý tieň, čo znamená, že látku priamo pod nimi nemožno zobraziť. Na vyriešenie tohto problému vedci vytvorili transduktory využívajúce priehľadnú piezoelektriku, ale tieto materiály boli doteraz príliš slabé a nespoľahlivé na definitívne vyriešenie problému.
Pred niekoľkými rokmi vedci v Japonsku prišli s geniálnym spôsobom, ako vytvoriť transparentnú piezoelektriku. Ich materiál voľby, zlúčenina niobátu olova a titaničitanu olova (PMN-PT), bol ferroelektrický, ktorý prirodzene poháňa elektrické dipóly. Vedci už tieto materiály premenili na piezoelektriku tým, že ich vystavili jednosmernému elektrickému prúdu. Japonský tím však zistil, že ich vystavenie striedavému prúdu - od tých, ktoré sú dodávané do domácností a firiem - spôsobuje silný náboj piezoelektriky. "Je to ako pretrepávať kryštál tam a späť," vysvetľuje Long-Qing Chen, výpočtový vedec so sídlom v Pensylvánii. Takéto otrasy by mohli zdvojnásobiť piezoelektrické vlastnosti kryštálu, ako to oznámil japonský tím v roku 2011.
PMN-PT je zvyčajne nepriehľadný, pretože jednotlivé skupiny dipólov rozptyľujú svetlo vo všetkých smeroch. Použitím striedavého prúdu tím vyrovnal dipóly, potom zahrial a vyleštil materiál na priehľadné a piezoelektrické vlastnosti 50-krát silnejší ako tradičné priehľadné piezoelektrické materiály. Výsledok práce je uvedený v časopise Nature.
Propagačné video:
Vylepšené piezoelektriká sa môžu použiť na vytvorenie citlivejších fotoakustických zobrazovacích zariadení, ktoré môžu klinickým lekárom pomôcť so všetkým, od detekcie rakoviny prsníka a melanómu až po sledovanie prietoku krvi pri liečení cievnych ochorení. Vedci tvrdia, že tento pokrok môže inšpirovať inžinierov aj k vytvoreniu transparentných ovládačov pre neviditeľnú robotiku a obrazovky, ktoré sa aktivujú dotykom.
Vasily Makarov