Japonski izumitelji so ustvarili izboljšane piezoelektrike - prozorne kristale, ki bodo uporabni pri razvoju nove generacije tehnologije.
Nekateri kristalni materiali lahko spremenijo svojo obliko, ko jih udari električni udar. Znanstveniki že desetletja uporabljajo tako imenovane piezoelektrike v ultrazvočni medicini: materiali, ki temeljijo na njih, so tako občutljivi, da lahko zaznajo gibanje zvočnih valov, ki prehajajo skozi tkiva. Raziskovalci so pred kratkim iznašli nov način, kako ustvariti močne prozorne piezoelektrike, ki ne bi samo izboljšale kakovosti medicinskih fotografij, temveč tudi ustvarile nevidne robote in zaslone na dotik, ki se aktivirajo, ko se jih dotaknete brez zunanjih baterij.
Piezoelektrike sestavljajo številni drobni kristali ali posamezni kristali iz različnih materialov, vključno s keramiko in polimeri. V obeh primerih se mešanica atomov spremeni v preprosto kristalno enoto - navadno veliko nekaj atomov -, ki se ponavlja znova in znova. Znotraj vsakega od teh gradnikov so atomi nameščeni v tako imenovanem električnem dipolu z veliko pozitivnih nabojev na eni strani in veliko negativnih nabojev na drugi strani.
Pritisk na te materiale lahko subtilno spremeni položaj atomov, kar je dovolj za preureditev nabojev in ustvarjanje električne napetosti. Uporaba električne napetosti ima nasproten učinek, zaradi česar se material širi v eno smer in se strdi v drugi.
Zaradi te lastnosti so piezoelektriki izjemno uporabni v najrazličnejših aplikacijah. Bioinženir Šri Rajasekhar Kotapalli ugotavlja, da so piezoelektrične naprave del vsega, od vžigalnikov in gumbov na žaru do natančnih sistemov sodobnih mikroskopov.
Potrebni so tudi za fotoakustično slikanje, pri katerem se piezoelektrična naprava, imenovana pretvornik, uporablja za zaznavanje ultrazvočnih valov, ki jih oddaja mehko tkivo, ko se absorbira svetloba z laserja. Različne molekule - od hemoglobina do melanina - absorbirajo različne frekvence, zato lahko zdravniki vizualizirajo različne vrste tkiva in iščejo zdravstvene težave. Vendar neprozorni pretvorniki mečejo majhno senco, kar pomeni, da tkanine neposredno pod njimi ni mogoče prikazati. Da bi odpravili težavo, so raziskovalci ustvarili pretvornike z uporabo prozornih piezoelektrikov, vendar so bili doslej ti materiali prešibki in nezanesljivi, da bi dokončno rešili težavo.
Pred nekaj leti so raziskovalci na Japonskem iznašli iznajdljiv način ustvarjanja prozornih piezoelektrikov. Njihov izbirni material, spojina svinčevega niobata in svinčevega titanata (PMN-PT), je bil feroelektrik, ki naravno poganja električne dipole. Raziskovalci so te materiale že pretvorili v piezoelektrike, tako da so jih izpostavili enosmernemu električnemu toku. A japonska skupina je ugotovila, da izpostavljenost izmeničnemu toku - od tistih, ki jih oskrbujejo domovi in podjetja - ustvarja močan naboj piezoelektričnosti. "To je kot tresenje kristala naprej in nazaj," razlaga Long-Qing Chen, računski znanstvenik s sedežem v Pensilvaniji. Takšno pretresanje bi lahko podvojilo piezoelektrične lastnosti kristala, kot je japonska ekipa objavila že leta 2011.
PMN-PT je običajno neprozoren, ker posamezne skupine dipolov razpršijo svetlobo v vse smeri. Z izmeničnim tokom je ekipa izravnala dipole, nato pa segrela in polirala material do prozornih in piezoelektričnih lastnosti, 50-krat močnejših od običajnih prozornih piezoelektričnih materialov. Rezultat dela je predstavljen v reviji Nature.
Promocijski video:
Izboljšani piezoelektriki je mogoče uporabiti za izdelavo občutljivejših fotoakustičnih naprav za slikanje, ki lahko pomagajo klinikom pri vsem, od odkrivanja raka dojk in melanoma do sledenja krvnega pretoka za zdravljenje vaskularnih bolezni. Raziskovalci poročajo, da lahko ta napredek navdihne tudi inženirje, da ustvarijo pregledne pogone za nevidno robotiko in zaslone, ki se aktivirajo z dotikom.
Vasilij Makarov