Een team van onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania krijgt nieuw inzicht in de slimme materialen die worden gebruikt in ultrasone technologie. Terwijl het tot nu toe het meest grondige model vormt van hoe deze materialen werken, ze hebben opvallende overeenkomsten gevonden met het gedrag van water.

Het onderzoek, gepubliceerd in Natuur , werd geleid door Andrew M. Rappe, de Blanchard hoogleraar scheikunde aan de School of Arts &Sciences en een hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de School of Engineering and Applied Science, en postdoc Hiroyuki Takenaka bij de afdeling Chemie. Penn Research Specialist Ilya Grinberg en alumnus Shi Liu droegen ook bij aan het onderzoek.

De onderzoekers in deze groep zijn geïnteresseerd in de interactie van materialen met, benutten en energie omzetten in verschillende vormen. In dit onderzoek, ze onderzochten een gedrag van slim materiaal genaamd piëzo-elektriciteit, dat is de uitwisseling van mechanische energie met elektrische energie.

In piëzo-elektriciteit, het aanbrengen van een elektrisch veld op een materiaal heroriënteert de dipolen erin; dit is de sleutel tot de functionaliteit van het materiaal.

"Je kunt je voorstellen dat er een kooi van zuurstofatomen is, "Rap zei, "en er is een positief ion in het midden. Als het in het midden van de kooi zit, is er geen dipool, maar als het uit het midden beweegt, is er een dipool. De herschikking van die dipolen leidt tot deze slimme materiaaleigenschappen."

Terwijl de positieve ionen uit het midden bewegen, de kooien van ionen die hen omringen krimpen of verlengen op een gecoördineerde manier, waardoor het materiaal van vorm verandert.

In ultrasone apparaten, het verstrekken van spanning zorgt ervoor dat het materiaal van vorm verandert, of trillen, en die trillingen komen het menselijk lichaam binnen en echoën rond. Piëzo-elektrische materialen worden ook gebruikt in sonar om instrumenten onder water te laten zien.

Onlangs, er werd een reeks materialen ontdekt waarvan wetenschappers denken dat deze hogere piëzo-elektrische prestaties geven dan de vorige. Maar op een fundamenteel niveau Rappe zei, mensen begrepen niet waarom deze materialen zo goed functioneren als ze doen.

"Als je niet weet waarom het werkt, hoe zou je het in godsnaam kunnen reverse-engineeren en naar het volgende niveau gaan?" zei hij.

Onderzoekers gebruiken vaak theorie en modellering om slimme materialen te bestuderen. Ze hebben een idee van hoe ze denken dat een systeem werkt en kunnen weergeven wat een echt materiaal doet door enkele vergelijkingen op te lossen.

"Een ding dat we vaak doen, is de vergelijkingen van de kwantummechanica oplossen, omdat bekend is dat de kwantummechanica een nauwkeurig model is voor hoe elektronen zich gedragen, " zei Rappe. "De elektronen zijn de lijm die de kernen bij elkaar houdt. Als je weet hoe ze zich gedragen, dan weet je wat bepaalt wanneer banden breken en vormen enzovoort."

Maar een opwindende ontwikkeling, hij zei, is het vermogen om verder te gaan dan wat onderzoekers zich kwantummechanisch kunnen veroorloven en mechanische modellen te bouwen om hen een meer benaderende manier te geven om met de bindingen in een vaste stof om te gaan, terwijl ze ook de eindige temperatuur kunnen modelleren, grotere hoeveelheden materiaal en voor langere tijd.

"Dit stelt ons in staat om gedrag te observeren dat lang duurt of alleen diep in een materiaal plaatsvindt, en dit geeft ons unieke perspectieven op gecompliceerd gedrag, ' zei Rappe.

Terwijl andere experimenten dit materiaal hebben onderzocht en sommige theoretische modellen bepaalde aspecten ervan hebben onthuld, de Penn-onderzoekers hebben nu het meest uitgebreide model tot nu toe geleverd van hoe dit materiaal werkt.

Eerder, wetenschappers dachten dat het bij hogere temperaturen "elke dipool voor zich is, " waardoor ze gemakkelijk kunnen reageren op externe prikkels zoals elektrische velden.

Als het materiaal afkoelt, de dipolen klonteren in groepen die polaire nanoregio's worden genoemd. Naarmate deze regio's groter worden, ze worden traag en het wordt steeds moeilijker voor ze om te reageren.

In deze nieuwe krant de onderzoekers toonden aan dat, terwijl bij hogere temperaturen de dipolen in feite vrij zweven als de temperatuur afkoelt en de dipolen elkaar vinden en deze polaire nanoregio's vormen, de regio's worden niet echt groter, maar worden juist beter op elkaar afgestemd.

Dit leidt tot de geboorte van domeinwanden binnen het materiaal die patches van verschillende uitlijning scheiden. Het zijn deze domeinwanden tussen dipolaire gebieden die leiden tot verbeterde piëzo-elektrische eigenschappen in het materiaal.

Dit weerspiegelt een soortgelijk gedrag in water, waarbij hoe lager de temperatuur hoe meer gecorreleerd de dipolen worden, maar de correlatie geldt niet op grotere afstanden.

"Ze zijn nooit perfect op elkaar afgestemd, "Zei Rappe. "Nabijgelegen waterdipolen kunnen meer en meer uitgelijnd raken, maar vanwege waterstofbinding is er een intrinsieke grootte waarboven het niet groeit."

Piëzo-elektrische materialen zijn een belangrijk element in transducers, actuatoren en sensoren die in veel industrieën worden gebruikt. Gebrek aan begrip over hoe ze werken, heeft de verbetering van materialen van hogere kwaliteit vertraagd. Dit artikel geeft een nieuw inzicht in hoe ze functioneren en onthult overeenkomsten met het gedrag van water.

Een vollediger begrip van waarom deze materialen zich gedragen zoals ze doen, kan nieuwe materialen ontwerpen, wat leidt tot piëzo-elektriciteit van hogere kwaliteit die een revolutie teweeg kan brengen in slimme materiaaltoepassingen.

"Het is opwindend om een ​​model op te bouwen van individuele elektronen tot miljoenen atomen bij eindige temperatuur en complexe eigenschappen te observeren, "Rap zei, "en het is opwindend dat het observeren van die complexe eigenschappen ons nieuwe productieve richtingen geeft waar we materialen kunnen verbeteren die energie efficiënter zullen omzetten in nuttige apparaten om mensen te helpen."