Japanische Erfinder haben verbesserte Piezoelektrika entwickelt - transparente Kristalle, die bei der Entwicklung der Technologie der neuen Generation nützlich sein werden.
Einige kristalline Materialien können ihre Form ändern, wenn sie von einem elektrischen Schlag getroffen werden. Wissenschaftler setzen diese sogenannten Piezoelektrika seit Jahrzehnten in der Ultraschallmedizin ein: Auf ihnen basierende Materialien sind so empfindlich, dass sie die Bewegung von Schallwellen durch Gewebe erfassen können. Vor kurzem haben Forscher einen neuen Weg gefunden, um leistungsstarke transparente Piezoelektrika zu entwickeln, die nicht nur die Qualität medizinischer Fotos verbessern, sondern auch unsichtbare Roboter und Touchscreens erstellen können, die bei Berührung ohne Batterien von Drittanbietern aktiviert werden.
Piezoelektrika bestehen aus vielen winzigen Kristalliten oder Einkristallen verschiedener Materialien, einschließlich Keramik und Polymeren. In beiden Fällen verwandelt sich die Atommischung in eine einfache kristalline Einheit - normalerweise einige Atome groß -, die sich immer wieder wiederholt. In jedem dieser Bausteine befinden sich Atome in einem sogenannten elektrischen Dipol mit vielen positiven Ladungen auf der einen Seite und vielen negativen Ladungen auf der anderen Seite.
Durch Anlegen von Druck auf diese Materialien kann die Position der Atome geringfügig geändert werden. Dies reicht aus, um Ladungen neu anzuordnen und elektrische Spannung zu erzeugen. Das Anlegen einer elektrischen Spannung hat den gegenteiligen Effekt, wodurch sich das Material in die eine Richtung ausdehnt und in der anderen zusammenzieht.
Diese Eigenschaft macht Piezoelektrika in einer Vielzahl von Anwendungen äußerst nützlich. Der Bioingenieur Sri Rajasekhar Kotapalli merkt an, dass piezoelektrische Geräte Teil von Feuerzeugen und Grillknöpfen bis hin zu Präzisionssystemen moderner Mikroskope sind.
Sie werden auch für die photoakustische Bildgebung benötigt, bei der eine als Wandler bezeichnete piezoelektrische Vorrichtung verwendet wird, um Ultraschallwellen zu erfassen, die von Weichgewebe emittiert werden, wenn Licht von einem Laser absorbiert wird. Verschiedene Moleküle - von Hämoglobin bis Melanin - absorbieren unterschiedliche Frequenzen, sodass Ärzte verschiedene Gewebetypen visualisieren können, um nach gesundheitlichen Problemen zu suchen. Undurchsichtige Wandler werfen jedoch einen kleinen Schatten, was bedeutet, dass der Stoff direkt unter ihnen nicht angezeigt werden kann. Um dieses Problem zu umgehen, haben Forscher Wandler mit transparenten Piezoelektrika entwickelt. Bisher waren diese Materialien jedoch zu schwach und unzuverlässig, um das Problem endgültig zu lösen.
Vor einigen Jahren haben Forscher in Japan einen genialen Weg gefunden, um transparente Piezoelektrika herzustellen. Ihr Material der Wahl, eine Verbindung aus Blei-Niobat und Bleititanat (PMN-PT), war ein Ferroelektrikum, das auf natürliche Weise elektrische Dipole antreibt. Forscher haben diese Materialien bereits in Piezoelektrika umgewandelt, indem sie einem elektrischen Gleichstrom ausgesetzt wurden. Das japanische Team stellte jedoch fest, dass die Exposition gegenüber Wechselstrom - von Haushalten und Unternehmen - eine starke Ladung Piezoelektrizität erzeugt. "Es ist, als würde man den Kristall hin und her schütteln", erklärt Long-Qing Chen, ein in Pennsylvania ansässiger Computerwissenschaftler. Ein solches Aufrütteln könnte die piezoelektrischen Eigenschaften des Kristalls verdoppeln, wie das japanische Team bereits 2011 bekannt gab.
PMN-PT ist normalerweise undurchsichtig, da einzelne Gruppen von Dipolen Licht in alle Richtungen streuen. Mit Wechselstrom glättete das Team die Dipole, erhitzte und polierte das Material auf transparente und piezoelektrische Eigenschaften, die 50-mal stärker waren als bei herkömmlichen transparenten piezoelektrischen Materialien. Das Ergebnis der Arbeit wird in der Zeitschrift Nature vorgestellt.
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Verbesserte Piezoelektrika können verwendet werden, um empfindlichere photoakustische Bildgebungsgeräte herzustellen, die Ärzten bei allem helfen können, von der Erkennung von Brustkrebs und Melanomen bis zur Überwachung des Blutflusses zur Behandlung von Gefäßerkrankungen. Die Forscher berichten, dass dieser Fortschritt Ingenieure auch dazu inspirieren könnte, transparente Aktuatoren für unsichtbare Robotik und Bildschirme zu entwickeln, die durch Berühren aktiviert werden.
Wassili Makarow
