Кристаллы, излучающие электричество: материал будущего

Кристаллы, излучающие электричество: материал будущего

Японские изобретатели создали улучшенные пьезоэлектрики — прозрачные кристаллы, которые пригодятся при разработке техники нового поколения.

Кристаллы, излучающие электричество: материал будущего

Наука Василий Макаров

22.01.2020

Некоторые кристаллические материалы способы изменять свою форму, если ударить их током. Ученые десятилетиями использовали эти так называемые пьезоэлектрики в ультразвуковой медицине: материалы на их основе настолько чувствительны, что могут уловить движение звуковых волн, проходящих сквозь ткани. Недавно исследователи придумали новый способ создания мощных прозрачных пьезоэлектриков, которые могли бы не только привести к улучшению качества медицинских фотографий, но и к созданию невидимых роботов и сенсорных экранов, которые активируются при касании без сторонних аккумуляторов.

Пьезоэлектрики состоят из множества крошечных кристаллитов или монокристаллов различных материалов, включая керамику и полимеры. В обоих случаях смесь атомов превращается в простую кристаллическую единицу — обычно размером с несколько атомов — которая повторяется снова и снова. Внутри каждого из этих строительных блоков атомы расположены в так называемом электрическом диполе, с большим количеством положительных зарядов на одной стороне и большим количеством отрицательных зарядов на другой.

Применение давления к этим материалам может тонко изменить положение атомов, чего достаточно для перегруппировки зарядов и производства электрического напряжения. Применение же электрического напряжения оказывает противоположный эффект, заставляя материал расширяться в одном направлении и сжиматься в другом.

Это свойство делает пьезоэлектрики чрезвычайно полезными в широком спектре применений. Биоинженер Шри-Раджасехар Котапалли отмечает, что пьезоэлектрические устройства являются частью всего: от зажигалок и кнопок барбекю-гриля до точных систем современных микроскопов.

Они также необходимы для фотоакустической визуализации, в которой пьезоэлектрическое устройство, называемое преобразователем, используется для обнаружения ультразвуковых волн, излучаемых мягкими тканями при поглощении света от лазера. Различные молекулы — от гемоглобина до меланина — поглощают разные частоты, поэтому врачи могут визуализировать различные виды тканей для выявления проблем со здоровьем. Тем не менее, непрозрачные преобразователи отбрасывают небольшую тень, а значит ткань непосредственно под ними отобразить не получится. Чтобы обойти эту проблему, исследователи создали преобразователи, использующие прозрачные пьезоэлектрики, но до сих пор эти материалы были слишком слабыми и ненадежными, чтобы окончательно решить проблему.

Несколько лет назад исследователи в Японии придумали оригинальный способ создания прозрачных пьезоэлектриков. Выбранный ими материал, соединение ниобата свинца и титаната свинца (PMN-PT), был сегнетоэлектриком, который естественным образом питает электрические диполи. Исследователи уже превращали эти материалы в пьезоэлектрики, подвергая их воздействию электрического тока постоянного тока. Но японская команда обнаружила, что воздействие на них переменным током — тем, что подается в дома и на предприятия — вырабатывает мощный заряд пьезоэлектричества. «Это все равно, что трясти кристалл взад-вперед», поясняет Лонг-Цин Чен, специалист по вычислительным материалам из штата Пенсильвания. Подобная встряска может удвоить пьезоэлектрические свойства кристалла, о чем японская команда заявляла еще в 2011 году.

Обычно PMN-PT непрозрачен, поскольку отдельные группы диполей рассеивают свет во всех направлениях. Используя переменный ток, команда выровняла диполи, а затем с помощью нагрева и полировки сделала материал прозрачным и придала ему пьезоэлектрические свойства, в 50 раз более мощные, чем у обычных прозрачных пьезоэлектриков. Результат работы представлен в журнале Nature.

Пьезоэлектрики с улучшенными характеристиками могут быть использованы в производстве более чувствительных устройств фотоакустической визуализации, которые могут помочь врачам во всем: от выявления рака молочной железы и меланомы до отслеживания кровотока для лечения сосудистых заболеваний. Исследователи сообщают, что этот прогресс может также вдохновить инженеров на создание прозрачных приводов для невидимой робототехники и экранов, которые приводятся в действие при прикосновении.