(Phys.org) — Het piëzo-elektrische effect, waardoor een materiaal uitzet in de richting van een aangelegd elektrisch veld, is gebruikelijk in veel materialen en gebruikt in een verscheidenheid aan technologieën, van medische echografie tot door trillingen aangedreven elektronica. Maar het negatieve piëzo-elektrische effect, waarin een materiaal samentrekt in plaats van uitzet in de richting van het aangelegde elektrische veld, beschouwd als een zeldzame en contra-intuïtieve anomalie, en heeft weinig aandacht gekregen.

Nu in een nieuw artikel gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , natuurkundigen Shi Liu en R.E. Cohen van het Carnegie Institute for Science in Washington, gelijkstroom, hebben 93 materialen geïdentificeerd die het negatieve piëzo-elektrische effect vertonen, waaruit blijkt dat het veel vaker voorkomt dan eerder werd gedacht. Ze onderzochten ook de oorsprong van het negatieve piëzo-elektrische effect, wat kan leiden tot de ontwikkeling van nieuwe piëzo-elektrische apparaten.

"Het negatieve longitudinale piëzo-elektrische effect is in het verleden niet goed onderzocht, " vertelde Cohen" Phys.org . "Ons artikel is het eerste werk dat een systematisch onderzoek heeft uitgevoerd naar het mechanisme van het negatieve piëzo-elektrische effect. Door gebruik te maken van de goed samengestelde open-source materialendatabase die wordt gehost door het Materials Project, we zijn in staat om snel bijna 100 materialen te identificeren die letterlijk binnen enkele minuten over deze ongebruikelijke reactie beschikken. Dit werk laat zien hoe gedetailleerde kwantummechanische berekeningen en materiaalinformatica kunnen samenwerken om de ontdekking en het ontwerp van materialen te versnellen."

Zoals de onderzoekers uitlegden, piëzo-elektriciteit bevat twee componenten:een geklemde ionenbijdrage, die puur elektronisch is, en een bijdrage aan de interne spanning, die voortkomt uit microscopische atomaire relaxaties.

In de nieuwe studie de natuurkundigen ontdekten dat het belangrijkste verschil tussen conventionele en negatieve piëzo-elektrische materialen is welke bijdrage groter is. In conventionele piëzo-elektriciteit, de bijdrage van de interne stam domineert, terwijl in negatieve piëzo-elektriciteit de geklemde ionenrespons domineert, wat wijst op de aanwezigheid van sterke ionische bindingen en kleine atomaire relaxaties in deze materialen.

De onderzoekers doorzochten vervolgens een bestaande database van bijna 1000 piëzo-elektrische materialen en identificeerden 93 verbindingen met een dominante geklemde ionencomponent, ze markeren als negatieve piëzo-elektriciteit.

In hun analyse de natuurkundigen ontdekten ook een ander ongewoon kenmerk van negatieve piëzo-elektrische materialen, dat is dat hoge druk hun ferro-elektriciteit verbetert. Dit is het tegenovergestelde van wat wordt waargenomen in conventionele piëzo-elektrische materialen, waar hoge drukken een afname van ferro-elektriciteit veroorzaken. De onderzoekers hopen dat deze drukversterkte ferro-elektriciteit van negatieve piëzo-elektrische materialen kan leiden tot het ontwerp van nieuwe apparaten.

"Dit werk illustreert de kracht van theorie en informatica samen, en wij (en anderen) kunnen deze benadering gebruiken om andere nieuwe soorten interessante materialen te vinden, "Zei Liu. "Wat betreft piëzo-elektriciteit, we hopen dat dit werk experimentele studies van het negatieve longitudinale piëzo-elektrische effect zal inspireren. Onze collega's hier werken aan het synthetiseren van enkele van de verbindingen met een negatieve piëzo-elektrische respons die we in het artikel hebben voorgesteld. Het zal ook heel interessant zijn om te onderzoeken wat er zal gebeuren als we een composietmateriaalsysteem creëren met afwisselende lagen conventionele piëzo-elektrische materialen met een positieve respons en die met een negatieve respons. Wanneer u het elektrische veld inschakelt, sommige lagen zullen uitzetten, terwijl sommige lagen zullen krimpen. Dergelijke concurrentie kan leiden tot ongebruikelijke fysica en mogelijk nieuwe toepassingen mogelijk maken."

© 2017 Fys.org