Japanilaiset keksijät ovat luoneet parannettuja pietsosähköä - läpinäkyviä kiteitä, jotka ovat hyödyllisiä uuden sukupolven tekniikan kehittämisessä.
Joillakin kiteisillä materiaaleilla on tapoja muuttaa muotoaan, kun niitä iskee sähköisku. Tutkijat ovat käyttäneet näitä ns. Pietsosähköisiä laitteita ultraäänilääketieteessä jo vuosikymmenien ajan: niihin perustuvat materiaalit ovat niin herkkiä, että ne pystyvät havaitsemaan kudosten läpi kulkevien ääniaaltojen liikkumisen. Tutkijat keksivät äskettäin uuden tavan luoda tehokkaita läpinäkyviä pietsosähköisiä laitteita, jotka eivät vain paranna lääketieteellisten valokuvien laatua, vaan myös luovat näkymättömiä robotteja ja kosketusnäyttöjä, jotka aktivoituvat kosketettaessa ilman kolmannen osapuolen akkuja.
Pietsosähköiset osat koostuvat monista pienistä kiteistä tai monikiteistä, erilaisista materiaaleista, mukaan lukien keramiikka ja polymeerit. Molemmissa tapauksissa atomien seos muuttuu yksinkertaiseksi kiteiseksi yksiköksi - yleensä muutaman atomin kokoiseksi -, joka toistuu uudestaan ja uudestaan. Kunkin näiden rakennuslohkojen sisällä atomit sijaitsevat ns. Sähködipolissa, jossa on paljon positiivisia varauksia toisella puolella ja paljon negatiivisia varauksia toisella.
Paineen kohdistaminen näihin materiaaleihin voi hienovaraisesti muuttaa atomien sijaintia, mikä riittää varausten uudelleen järjestämiseen ja sähköjännitteen tuottamiseen. Sähköjännitteen käytöllä on päinvastainen vaikutus, mikä aiheuttaa materiaalin laajenemisen yhteen suuntaan ja supistumisen toiseen.
Tämä ominaisuus tekee pietsosähköstä erittäin hyödyllisen monissa sovelluksissa. Bioinsinööri Sri Rajasekhar Kotapalli toteaa, että pietsosähköiset laitteet ovat osa kaikkea sytyttimistä ja grillauspainikkeista modernien mikroskooppien tarkkuusjärjestelmiin.
Niitä tarvitaan myös fotoakustiseen kuvantamiseen, jossa anturina käytettävää pietsosähköistä laitetta käytetään pehmytkudoksen lähettämien ultraääniaaltojen havaitsemiseen, kun laserin valo absorboituu. Erilaiset molekyylit - hemoglobiinista melaniiniin - absorboivat eri taajuuksia, joten lääkärit voivat visualisoida erityyppisiä kudoksia etsimään terveysongelmia. Läpinäkymättömät anturit heittävät kuitenkin pienen varjon, mikä tarkoittaa, että niiden alla olevaa kangasta ei voida näyttää. Tämän ongelman kiertämiseksi tutkijat ovat luoneet muuntimia, joissa käytetään läpinäkyviä pietsosähköä, mutta toistaiseksi nämä materiaalit ovat olleet liian heikkoja ja epäluotettavia ongelman ratkaisemiseksi lopullisesti.
Useita vuosia sitten Japanin tutkijat keksivät nerokkaan tavan luoda läpinäkyviä pietsosähköä. Heidän valintansa materiaali, lyijniobaatin ja lyijtititanaatin (PMN-PT) yhdiste, oli ferrosähköinen, joka luonnollisesti voimistaa sähköisiä dipoleja. Tutkijat ovat jo muuttaneet nämä materiaalit pietsosähköiksi altistamalla ne tasavirtavirralle. Mutta japanilainen joukkue havaitsi, että altistaminen heille vaihtovirtaan - kotitalouksille ja yrityksille toimitettavista virroista - tuottaa voimakkaan pietsosähkövarauksen. "Se on kuin kristallin ravistaminen edestakaisin", selittää Long-Qing Chen, Pennsylvaniassa toimiva laskennallinen tutkija. Tällainen ravistelu voi kaksinkertaistaa kristallin pietsosähköiset ominaisuudet, kuten japanilainen joukkue ilmoitti vuonna 2011.
Yleensä PMN-PT on läpinäkymätön, koska yksittäiset dipooliryhmät hajottavat valoa kaikkiin suuntiin. Ryhmä tasoitti vaihtovirtaa käyttämällä dipoleja, lämmitti ja kiillotti materiaalin läpinäkyviin ja pietsosähköisiin ominaisuuksiin 50 kertaa tehokkaammin kuin perinteiset läpinäkyvät pietsosähköiset materiaalit. Työn tulos esitetään Nature-lehdessä.
Mainosvideo:
Parannetuilla pietsosähköllä voidaan tehdä herkempiä fotoakustisia kuvantamislaitteita, jotka voivat auttaa kliinikoita kaikessa rintasyövän ja melanooman havaitsemisesta verenvirtauksen seuraamiseen verisuonitautien hoitamiseksi. Tutkijoiden mukaan tämä kehitys voi inspiroida insinöörejä luomaan läpinäkyviä toimilaitteita näkymättömälle robottille ja näytöille, jotka aktivoidaan kosketuksella.
Vasily Makarov