A japán feltalálók továbbfejlesztett piezoelektromos elemeket hoztak létre - átlátszó kristályokat, amelyek hasznosak lehetnek az új generációs technológia fejlesztésében.
Néhány kristályos anyag megváltoztathatja alakját, amikor áramütés sújtja őket. A tudósok évtizedek óta használják ezeket az úgynevezett piezoelektrikákat az ultrahangos orvoslásban: Az ezekre alapozott anyagok annyira érzékenyek, hogy felismerik a szövetekben áthaladó hanghullámok mozgását. A kutatók nemrégiben új módszerrel állítottak elő nagy teljesítményű átlátszó piezoelektromos készülékeket, amelyek nemcsak javíthatják az orvosi fényképek minőségét, hanem láthatatlan robotokat és érintőképernyőket hoznak létre, amelyek aktiválódnak, ha megérintetik őket, harmadik féltől származó elemek nélkül.
A piezoelektromos elemek sok apró kristályból vagy különféle anyagból álló kristályból állnak, beleértve a kerámiákat és a polimereket. Mindkét esetben az atomok keveréke egyszerű kristályos egységgé válik - általában több atom méretű -, amely újra és újra megismétlődik. Ezen építőelemek mindegyikén belül az atomok úgynevezett elektromos dipólusban helyezkednek el, az egyik oldalon sok pozitív töltés, a másik oldalon sok negatív töltés található.
Ezeknek az anyagoknak a nyomása finoman megváltoztathatja az atomok helyzetét, ami elegendő a töltések átrendezéséhez és az elektromos feszültség előállításához. Az elektromos feszültség alkalmazásának ellenkező hatása van, és az anyag az egyik irányba tágul, a másikban pedig összehúzódik.
Ez a tulajdonság rendkívül hasznossá teszi a piezoelektromos berendezéseket sokféle alkalmazásban. Sri Rajasekhar Kotapalli biomérnök megjegyzi, hogy a piezoelektromos eszközök mindazok részét képezik, amelyek az öngyújtóktól és a grillezőgomboktól kezdve a modern mikroszkópok precíziós rendszerein vannak.
Szükség van ezekre a fotoakusztikus képalkotáshoz is, amelyben egy átalakítónak nevezett piezoelektromos eszközt alkalmaznak a lágy szövetek által kibocsátott ultrahanghullámok kimutatására, amikor a lézer fénye elnyelődik. Különböző molekulák - a hemoglobintól a melaninig - eltérő frekvenciát vesznek fel, így az orvosok különféle szöveteket láthatnak el, hogy egészségügyi problémákat keressenek. Az átlátszatlan jeladók azonban egy kis árnyékot vetnek, ami azt jelenti, hogy a közvetlenül alattuk lévő szövet nem jeleníthető meg. A probléma kiküszöbölésére a kutatók transzduktorokat hoztak létre átlátszó piezoelektromos készülékek felhasználásával, de ezek az anyagok eddig túl gyengék és megbízhatatlanok a probléma végleges megoldásához.
Néhány évvel ezelőtt a japán kutatók találékony módszert találtak az átlátszó piezoelektromos készülékek létrehozására. Választott anyaguk, az ólom-niobát és az ólom-titanát (PMN-PT) vegyülete, ferroelektromos anyag, amely természetesen energiát nyújt az elektromos dipolokhoz. A kutatók ezeket az anyagokat már piezoelektromosá alakították át úgy, hogy egyenáramú áramnak tették ki őket. A japán csapat azonban úgy találta, hogy váltakozó áramnak való kitettségük - az otthoni és üzleti vállalkozások számára biztosított energiának köszönhetően - nagymértékű piezoelektromos áramot eredményez. "Olyan, mintha a kristályt oda-vissza ráznánk" - magyarázza Long-Qing Chen, a pennsylvaniai székhelyű számítási tudós. Egy ilyen rázás megduplázhatja a kristály piezoelektromos tulajdonságait, amint a japán csapat visszajelentette 2011-ben.
A PMN-PT általában átlátszatlan, mivel a dipolok egyes csoportjai minden irányban szétszórnak. Váltakozó árammal a csapat elsimította a dipólokat, majd hevítette és polírozta az anyagot átlátszó és piezoelektromos tulajdonságokra 50-szer nagyobb teljesítményre, mint a hagyományos átlátszó piezoelektromos anyagok. A munka eredményét a Nature folyóirat ismerteti.
Promóciós videó:
A továbbfejlesztett piezoelektromos készülékek felhasználhatók érzékenyebb fotoakusztikus képalkotó eszközök elkészítéséhez, amelyek segítenek az orvosoknak az emlőrák és a melanóma felfedezéséig, a véráramlás monitorozásáig az érrendszeri betegségek kezeléséig. A kutatók beszámolnak arról, hogy ez a haladás arra is ösztönözheti a mérnököket, hogy átlátszó működtetőket hozzanak létre a láthatatlan robotika és az érintésesen aktiválható képernyők számára.
Vaszilij Makarov