Dążąc do wykorzystania w przyszłych urządzeniach elektromechanicznych bardziej przyjaznych dla środowiska materiałów, wspierani przez UE naukowcy znaleźli nowy sposób wywoływania efektu piezoelektrycznego w materiałach, których zwykle nie uważa się za piezoelektryczne.
Piezoelektryczność jest o wiele prostsza niż się wydaje. Jest to proces polegający na wykorzystaniu kryształów do przekształcania energii mechanicznej w elektryczną lub na odwrót. Wykorzystuje się go w wielu urządzeniach codziennego użytku, od zegarków kwarcowych i gramofonów po mikrofony i głośniki. Jednak o ile sama koncepcja piezoelektryczności jest prosta, o tyle znalezienie materiałów piezoelektrycznych, na których można zastosować ten proces, stanowi sporą przeszkodę od ponad stu lat.
Naukowcy wspierani w ramach finansowanych ze środków UE projektów BioWings i ESTEEM3 znaleźli sposób na uzyskanie reakcji piezoelektrycznej w materiałach, które zazwyczaj nie są uważane za piezoelektryczne. Opublikowane w czasopiśmie „Science” wyniki mogą utorować drogę dla szerokiej gamy przyjaznych dla środowiska i biozgodnych materiałów elektromechanicznych.
Materiały piezoelektryczne muszą spełniać jeden podstawowy warunek: ich struktura krystaliczna nie może mieć środka symetrii. Gdy na niecentrosymetryczną strukturę kryształu działa nacisk, ulega ona odkształceniu, a atomy przemieszczają się, umożliwiając przewodzenie prądu elektrycznego. To sprawia, że materiały piezoelektryczne stanowią atrakcyjne rozwiązanie w szerokiej gamie zastosowań czujnikowych.
Najbardziej znanym materiałem piezoelektrycznym jest kryształ kwarcu. Jednak w systemach mikroelektromechanicznych (MEMS) należy stosować materiały inne niż naturalnie występujący kwarc. Materiały te często zawierają szkodliwy ołów w postaci cyrkonianu-tytanianu ołowiu. Badania skupiają się na opracowaniu nowych biomedycznych systemów MEMS wykonanych przy użyciu cienkich, bezołowiowych warstw opartych na materiałach tlenkowych z domieszką gadolinu. „Istnieje już wiele systemów mikroelektromechanicznych, ale często zawierają one materiały posiadające w swym składzie ołów, który jest szkodliwy w przypadku wszczepienia do ludzkiego ciała. Celem projektu BioWings jest opracowanie biozgodnych materiałów o właściwościach podobnych do powszechnie stosowanych materiałów zawierających ołów, jednak które nie zawierają ani tego pierwiastka, ani innych szkodliwych materiałów”, mówi współautor badania prof. Nini Pryds z Duńskiego Uniwersytetu Technicznego, koordynującego projekt BioWings, w informacji prasowej „EurekAlert!”.W swojej pracy naukowcy opisują, jak udało im się wywołać duży i trwały efekt piezoelektryczny w kryształach centrosymetrycznych – materiałach, które zwykle nie pozwalają na taką reakcję. Wywołali oni efekt piezoelektryczny poprzez jednoczesne zastosowanie prądu zmiennego i stałego, co spowodowało rearanżację defektów tlenowych w materiale i w konsekwencji doprowadziło do polaryzacji. Skutkowało to złamaniem symetrii krystalicznej materiału, dzięki czemu uzyskano pożądany efekt piezoelektryczny.
Wykazując, że w materiałach, które zazwyczaj nie są piezoelektryczne, możliwe jest wywołanie efektu piezoelektrycznego, zespół badawczy kładzie podwaliny pod projektowanie bezołowiowych, nietoksycznych materiałów piezoelektrycznych. „To nowe odkrycie będzie stanowić fundamentalny krok na drodze do opracowania przyjaznych dla środowiska materiałów piezoelektrycznych o wysokiej wydajności, które będą mogły być stosowane np. w technice samochodowej i medycynie”, kontynuuje prof. Pryds.
Obecny wymóg niecentrosymetrycznej struktury krystalicznej w materiałach piezoelektrycznych znacznie ogranicza liczbę materiałów, które mogą być stosowane w nowoczesnych urządzeniach. Prof. Pryds opisuje wyniki badań jako zapewniające „zmianę paradygmatu ku indukowaniu piezoelektryczności w kryształach centrosymetrycznych, co rozszerza liczbę możliwych do zastosowania materiałów”. Na koniec badacz dodaje: „Spodziewam się, że będzie to miało znaczący wpływ na projektowanie nowych urządzeń elektromechanicznych z wykorzystaniem nowych materiałów biozgodnych”. Projekt BioWings (Bio-compatible electrostrictive smart materials for future generation of medical micro-electro-mechanical systems) kończy się w maju 2022 roku, a projekt ESTEEM3 (Enabling Science and Technology through European Electron Microscopy) w czerwcu 2023 roku.
Więcej informacji:
poleca:
