Japanska uppfinnar har skapat förbättrade piezoelektrik - transparenta kristaller som kommer att vara användbara vid utvecklingen av ny generationsteknologi.
Vissa kristallina material har sätt att ändra form när de drabbas av en elektrisk chock. Forskare har använt dessa så kallade piezoelektrik inom ultraljudmedicin i årtionden: material baserade på dem är så känsliga att de kan upptäcka rörelsen hos ljudvågor som passerar genom vävnader. Forskare kom nyligen med ett nytt sätt att skapa kraftfull transparent piezoelektrik som inte bara kunde förbättra kvaliteten på medicinska fotografier, utan också skapa osynliga robotar och pekskärmar som aktiveras när de berörs utan batterier från tredje part.
Piezoelektrik består av många små kristalliter eller enstaka kristaller av olika material, inklusive keramik och polymerer. I båda fallen förvandlas blandningen av atomer till en enkel kristallin enhet - vanligtvis några atomer i storlek - som upprepas om och om igen. Inuti var och en av dessa byggstenar finns atomer i det som kallas en elektrisk dipol, med en massa positiva laddningar på ena sidan och en massa negativa laddningar på den andra.
Att tillämpa tryck på dessa material kan subtilt ändra atomernas position, vilket är tillräckligt för att ordna om laddningar och generera elektrisk spänning. Att applicera elektrisk spänning har motsatt effekt, vilket gör att materialet expanderar i en riktning och drar sig i den andra.
Den här egenskapen gör piezoelektrik extremt användbar i en mängd olika tillämpningar. Bioingenjör Sri Rajasekhar Kotapalli konstaterar att piezoelektriska apparater är en del av allt från tändare och grillknappar till precisionssystemen i moderna mikroskop.
De krävs också för fotoakustisk avbildning, där en piezoelektrisk anordning som kallas en givare används för att upptäcka ultraljudsvågor som släpps ut av mjuk vävnad när ljus från en laser absorberas. Olika molekyler - från hemoglobin till melanin - absorberar olika frekvenser, så att läkare kan visualisera olika vävnadstyper för att leta efter hälsoproblem. Emellertid kastar opaka givare en liten skugga, vilket innebär att tyget direkt under dem inte kan visas. För att komma runt detta problem har forskare skapat givare med hjälp av transparent piezoelektrik, men hittills har dessa material varit för svaga och opålitliga för att definitivt lösa problemet.
För flera år sedan kom forskare i Japan med ett genialt sätt att skapa transparent piezoelektrik. Deras valbara material, en förening av blyniobat och blytitanat (PMN-PT), var ett ferroelektriskt som naturligtvis driver elektriska dipoler. Forskare har redan omvandlat dessa material till piezoelektrik genom att utsätta dem för en likström elektrisk ström. Men det japanska teamet fann att det att utsätta dem för växelström - från de som levereras till hem och företag - genererar en kraftfull laddning av piezoelektricitet. "Det är som att skaka kristallen fram och tillbaka," förklarar Long-Qing Chen, en Pennsylvania-baserad beräkningsforskare. En sådan skakning skulle kunna fördubbla kristallens piezoelektriska egenskaper, som det japanska laget meddelade tillbaka 2011.
PMN-PT är vanligtvis ogenomskinligt eftersom enskilda grupper av dipoler sprider ljus i alla riktningar. Med hjälp av växelström plattade teamet dipolerna och upphettade sedan och polerade materialet till transparenta och piezoelektriska egenskaper 50 gånger kraftigare än konventionella transparenta piezoelektriska material. Resultatet av arbetet presenteras i tidskriften Nature.
Kampanjvideo:
Förbättrad piezoelektrik kan användas för att göra mer känsliga fotoakustiska avbildningsanordningar som kan hjälpa kliniker med allt från att upptäcka bröstcancer och melanom till att övervaka blodflödet för att behandla kärlsjukdomar. Forskarna rapporterar att denna utveckling också kan inspirera ingenjörer att skapa transparenta ställdon för osynliga robotar och skärmar som aktiveras med beröring.
Vasily Makarov