Японските изобретатели са създали подобрени пиезоелектрици - прозрачни кристали, които ще бъдат полезни при разработването на технология от ново поколение.
Някои кристални материали имат начини да променят формата си, когато са поразени от токов удар. Учените използват тези така наречени пиезоелектрици в ултразвуковата медицина от десетилетия: материалите, базирани на тях, са толкова чувствителни, че могат да открият движението на звукови вълни, преминаващи през тъканите. Наскоро изследователите измислиха нов начин за създаване на мощни прозрачни пиезоелектрици, които биха могли не само да подобрят качеството на медицинските фотографии, но и да създадат невидими роботи и сензорни екрани, които се активират при докосване без батерии на трети страни.
Пиезоелектриците са съставени от много малки кристали или монокристали от различни материали, включително керамика и полимери. И в двата случая сместа от атоми се превръща в обикновена кристална единица - обикновено с размер на няколко атома - която се повтаря отново и отново. Вътре във всеки от тези градивни елементи атомите са разположени в така наречения електрически дипол, с много положителни заряди от едната страна и много отрицателни заряди от другата.
Прилагането на налягане върху тези материали може да промени фино положението на атомите, което е достатъчно, за да пренареди зарядите и да генерира електрическо напрежение. Прилагането на електрическо напрежение има обратен ефект, като причинява разширяване на материала в едната посока и свиване в другата.
Това свойство прави пиезоелектриците изключително полезни в голямо разнообразие от приложения. Биоинженерът Шри Раджашехар Котапали отбелязва, че пиезоелектрическите устройства са част от всичко - от запалки и бутони за барбекю грил до прецизните системи на съвременните микроскопи.
Те са необходими и за фотоакустично изображение, при което пиезоелектрическо устройство, наречено датчик, се използва за откриване на ултразвукови вълни, излъчвани от мека тъкан, когато светлината от лазер се абсорбира. Различните молекули - от хемоглобин до меланин - абсорбират различни честоти, така че лекарите могат да визуализират различни видове тъкан, за да търсят здравословни проблеми. Въпреки това, непрозрачните датчици хвърлят малка сянка, което означава, че тъканта директно под тях не може да бъде показана. За да заобиколят този проблем, изследователите са създали датчици, използвайки прозрачни пиезоелектрици, но досега тези материали са били твърде слаби и ненадеждни, за да решат окончателно проблема.
Преди няколко години изследователите в Япония измислиха гениален начин за създаване на прозрачни пиезоелектрици. Техният избор по избор, съединение от оловен ниобат и оловен титанат (PMN-PT), беше фероелектрик, който естествено захранва електрически диполи. Изследователите вече са превърнали тези материали в пиезоелектрици, като ги излагат на постоянен ток. Японският екип обаче откри, че излагането им на променлив ток - от тези, доставени на домове и предприятия - генерира мощен заряд на пиезоелектричество. "Това е като разклащане на кристала напред и назад", обяснява Лонг-Цинг Чен, базиран в Пенсилвания изчислителен учен. Подобно разтърсване може да удвои пиезоелектрическите свойства на кристала, както японският екип обяви още през 2011 г.
PMN-PT обикновено е непрозрачен, тъй като отделни групи диполи разпръскват светлина във всички посоки. Използвайки променлив ток, екипът изравнява диполите, след това нагрява и полира материала до прозрачни и пиезоелектрични свойства, 50 пъти по-мощни от конвенционалните прозрачни пиезоелектрически материали. Резултатът от работата е представен в списание Nature.
Промоционално видео:
Подобрените пиезоелектрици могат да се използват за направата на по-чувствителни фотоакустични устройства за изобразяване, които могат да помогнат на клиницистите с всичко - от откриване на рак на гърдата и меланом до наблюдение на кръвния поток за лечение на съдови заболявания. Изследователите съобщават, че този напредък може също да вдъхнови инженерите да създадат прозрачни задействащи механизми за невидима роботика и екрани, които се активират чрез докосване.
Василий Макаров