Jaapani leiutajad on loonud täiustatud piesoelektrik - läbipaistvad kristallid, mis on kasulikud uue põlvkonna tehnoloogia väljatöötamisel.
Mõnedel kristalsetel materjalidel on oma kuju muutmise viisid, kui neid tabab elektrilöök. Teadlased on neid niinimetatud piesoelektrikaid ultraheli meditsiinis kasutanud aastakümneid: nendel põhinevad materjalid on nii tundlikud, et suudavad tuvastada kudesid läbivate helilainete liikumise. Teadlased leidsid hiljuti välja uue viisi võimsate läbipaistvate piesoelektrikute loomiseks, mis ei saaks mitte ainult parandada meditsiiniliste fotode kvaliteeti, vaid luua ka nähtamatuid roboteid ja puutetundlikke ekraane, mis aktiveeruvad puudutamisel ilma kolmanda osapoole akudeta.
Piezoelektrikud koosnevad paljudest pisikestest kristalliitidest või mitmesuguste materjalide, sealhulgas keraamikast ja polümeeridest, kristallidest. Mõlemal juhul muutub aatomite segu lihtsaks kristalliliseks üksuseks - tavaliselt mõne aatomi suuruseks -, mis kordub ikka ja jälle. Kõigi nende ehitusplokkide sees asuvad aatomid niinimetatud elektriliseks dipooliks, mille ühel küljel on palju positiivseid laenguid ja teiselt poolt palju negatiivseid laenguid.
Nendele materjalidele rõhu avaldamine võib aatomite asukohta delikaatselt muuta, mis on piisav laengute ümberkorraldamiseks ja elektripinge tekitamiseks. Elektripinge rakendamisel on vastupidine mõju, põhjustades materjali laienemist ühes suunas ja teise kokkutõmbumist.
See omadus muudab piesoelektrika eriti kasulikuks väga erinevates rakendustes. Bioenergeetik Sri Rajasekhar Kotapalli märgib, et piesoelektrilised seadmed on osa kõigest, alates tulemasinatest ja grillinuppudest kuni moodsate mikroskoopide täppissüsteemideni.
Neid on vaja ka fotoakustiliste kujutiste jaoks, mille puhul anduriks kutsutud piesoelektrilist seadet kasutatakse pehmete kudede poolt ultrahelilainete tuvastamiseks, kui neeldumine laserilt on laser. Erinevad molekulid - hemoglobiinist melaniinini - neelavad erineva sagedusega, nii et arstid saavad terviseprobleemide otsimiseks visualiseerida erinevat tüüpi kudesid. Läbipaistmatud muundurid heidavad siiski väikese varju, mis tähendab, et otse nende all olevat kangast ei saa kuvada. Selle probleemi lahendamiseks on teadlased loonud muundurid, kasutades läbipaistvaid piesoelektrikaid, kuid seni on need materjalid olnud liiga nõrgad ja ebausaldusväärsed, et probleemi lõpuks lahendada.
Mitu aastat tagasi leidsid Jaapani teadlased leidliku viisi läbipaistvate piesoelektrikute loomiseks. Nende valitud materjal, pliiobioaadi ja pliititanaadi (PMN-PT) ühend, oli ferroelektriline, mis loomulikult elektrilisi dipoole toidab. Teadlased on juba muundanud need materjalid piesoelektrilisteks, kattes need alalisvoolu vooluga. Kuid Jaapani meeskond leidis, et nende vahelduvvooluga kokkupuude - kodudele ja ettevõtetele tarnitavatest vooluallikatega - tekitab võimsa laengu piesoelektrienergia. "See on nagu kristalli edasi-tagasi raputamine," selgitab Pennsylvanias asuv arvutusteadlane Long-Qing Chen. Selline raputamine võib kahekordistada kristalli piesoelektrilisi omadusi, nagu Jaapani meeskond teatas juba 2011. aastal.
PMN-PT on tavaliselt läbipaistmatu, kuna üksikud dipoolide rühmad hajutavad valgust igas suunas. Vahelduvvoolu abil tasandati meeskond dipoolid, seejärel kuumutati ja lihviti materjali läbipaistvateks ja piesoelektrilisteks omadusteks 50 korda võimsamalt kui tavalistel läbipaistvatel piesoelektrilistel materjalidel. Töö tulemust tutvustatakse ajakirjas Nature.
Reklaamvideo:
Täiustatud piesoelektrikaid saab kasutada tundlikumate fotoakustiliste pildiseadmete valmistamiseks, mis võivad aidata arstidel kõike, alates rinnavähi ja melanoomi tuvastamisest kuni verevoolu jälgimiseni vaskulaarhaiguste raviks. Teadlaste sõnul võib see edusamm inspireerida ka insenere looma nähtamatu robootika jaoks läbipaistvaid ajameid ja puutetundlikult aktiveeritavaid ekraane.
Vassili Makarov
