Японські винахідники створили покращені п'єзоелектрики — прозорі кристали, які стануть в нагоді 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 привести до поліпшення якості медичних фотографій, але і до створення невидимих роботів і сенсорних екранів, які активуються при торканні без сторонніх акумуляторів.
П'єзоелектрики складаються з безлічі крихітних кристалітів або монокристалів різних матеріалів, включаючи кераміку і полімери. В обох випадках суміш атомів перетворюється в просту кристалічну одиницю — зазвичай розміром з кілька атомів — яка повторюється знову і знову. Усередині кожного з цих будівельних блоків атоми розташовані в так званому електричному диполі, з великою кількістю позитивних зарядів на одній стороні і великою кількістю негативних зарядів на інший.
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, який називається 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. Проте, непрозорі перетворювачі відкидають невелику тінь, а значить тканину безпосередньо під ними відобразити не вийде. Щоб обійти цю проблему, дослідники створили перетворювачі, що використовують прозорі п'єзоелектрики, але до сих пір 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 в п'єзоелектрики, піддаючи їх дії електричного 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 обчислювальним матеріалам 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 диполі, а потім за допомогою нагрівання і полірування зробила матеріал прозорим і надала йому п'єзоелектричні властивості, в 50 разів потужніші, ніж у звичайних прозорих п'єзоелектриків. Результат роботи представлений 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 і екранів, які приводяться в дію при дотику.
Якщо вам цікаві новітні розробки в науковій та технічній сфері, підпишіться на електронну версію нашого журналу. 
Там ви знайдете ексклюзивні матеріали, які не були опубліковані на нашому сайті!