Japanski izumitelji stvorili su poboljšane piezoelektrike - prozirne kristale koji će biti korisni u razvoju nove generacije tehnologije.
Neki kristalni materijali mogu načiniti promjenu oblika kada ih udari strujni udar. Znanstvenici već desetljećima koriste ove takozvane piezoelektrike u ultrazvučnoj medicini: materijali na temelju njih toliko su osjetljivi da mogu detektirati kretanje zvučnih valova koji prolaze kroz tkiva. Istraživači su nedavno osmislili novi način stvaranja snažnih prozirnih piezoelektričara koji ne samo da poboljšavaju kvalitetu medicinskih fotografija, već stvaraju nevidljive robote i ekrane osjetljive na dodir koji se aktiviraju kada se dodirnu bez baterija drugih proizvođača.
Piezoelektriku čine mnoštvo sitnih kristala ili monokristala iz različitih materijala, uključujući keramiku i polimere. U oba slučaja, mješavina atoma pretvara se u jednostavnu kristalnu jedinicu - obično veličine nekoliko atoma - koja se ponavlja iznova i iznova. Unutar svakog od tih građevnih blokova atomi su smješteni u onome što nazivamo električnim dipolom, s puno pozitivnih naboja s jedne strane i puno negativnih naboja s druge strane.
Primjena tlaka na ove materijale može suptilno promijeniti položaj atoma, što je dovoljno za preuređivanje naboja i generiranje električnog napona. Primjena električnog napona ima suprotan učinak, zbog čega se materijal širi u jednom smjeru i skuplja se u drugom.
Ovo svojstvo čini piezoelektriku izuzetno korisnom u širokom rasponu aplikacija. Bioinžinjer Sri Rajasekhar Kotapalli napominje da su piezoelektrični uređaji dio svega, od upaljača i gumba za roštilj do preciznih sustava modernih mikroskopa.
Također su potrebni za fotoakustičko snimanje u kojem se piezoelektrični uređaj zvan pretvornik koristi za otkrivanje ultrazvučnih valova koje emitira meko tkivo kad apsorbira svjetlost lasera. Različite molekule - od hemoglobina do melanina - apsorbiraju različite frekvencije, tako da liječnici mogu vizualizirati različite vrste tkiva u potrazi za zdravstvenim problemima. Međutim, neprozirni pretvarači bacaju malu sjenu, što znači da se tkanina ispod njih ne može prikazati. Da bi riješili ovaj problem, istraživači su stvorili pretvarače koristeći prozirne piezoelektrike, ali dosad su ti materijali bili preslabi i nepouzdani da bi problem konačno mogli riješiti.
Prije nekoliko godina, istraživači u Japanu smislili su genijalan način stvaranja prozirnih piezoelektrika. Njihov izborni materijal, spoj olovnog niobata i olovnog titanata (PMN-PT), bio je feroelektric koji prirodno pokreće električne dipole. Istraživači su već pretvorili ove materijale u piezoelektrike izlažući ih istosmjernoj električnoj struji. No japanski tim otkrio je da izlaganje izmjeničnoj struji - od one opskrbljene kućama i tvrtkama - stvara snažan naboj piezoelektričnosti. "To je poput tresenja kristala naprijed i natrag", objašnjava Long-Qing Chen, računski znanstvenik sa sjedištem u Pensilvaniji. Takvo bi pretresanje moglo udvostručiti piezoelektrična svojstva kristala, kao što je japanski tim objavio 2011. godine.
PMN-PT je obično neproziran, jer pojedine skupine dipola raspršuju svjetlost u svim smjerovima. Pomoću izmjenične struje, tim je spljostio dipole, a zatim zagrijavao i polirao materijal do prozirnih i piezoelektričnih svojstava 50 puta snažnijih od klasičnih prozirnih piezoelektričnih materijala. Rezultat rada predstavljen je u časopisu Nature.
Promotivni video:
Pojačana piezoelektrika može se koristiti za izradu osjetljivijih fotoakustičnih uređaja za snimanje koji kliničarima mogu pomoći u svemu, od otkrivanja raka dojke i melanoma do praćenja protoka krvi za liječenje krvožilnih bolesti. Istraživači navode da taj napredak može također nadahnuti inženjere na stvaranje transparentnih pokretača za nevidljivu robotiku i ekrane koji se aktiviraju dodirom.
Vasily Makarov