Ontwikkeling van een theoretische basis voor ultrahoge piëzo-elektriciteit in ferro-elektrische materialen leidde tot een nieuw materiaal met tweemaal de piëzo-respons van alle bestaande commerciële ferro-elektrische keramiek, volgens een internationaal team van onderzoekers uit Penn State, China en Australië.

Piëzo-elektriciteit is de materiële eigenschap in het hart van medische echografie, sonar, actieve vibratiecontrole en veel sensoren en actuatoren. Een piëzo-elektrisch materiaal heeft het vermogen om mechanisch te vervormen wanneer een elektrische spanning wordt toegepast of om elektrische lading te genereren wanneer een mechanische kracht wordt uitgeoefend.

Door kleine hoeveelheden van een zorgvuldig geselecteerd zeldzaam aardmateriaal toe te voegen, samarium, tot een hoogwaardige piëzo-elektrische keramiek genaamd loodmagnesiumniobaat-loodtitanaat (PMN-PT), verhoogt de piëzo-prestaties dramatisch, de onderzoekers rapporteren in Natuurmaterialen deze week. Deze materiaal-door-ontwerpstrategie zal ook nuttig zijn bij het ontwerpen van materialen voor andere toepassingen, gelooft het team.

"Dit is niet de typische manier om nieuwe materialen te ontwikkelen, " zei de co-corresponderende auteur van het team, Lange Qing Chen, Donald W. Hamer Hoogleraar Materials Science and Engineering, hoogleraar wiskunde, en hoogleraar technische wetenschappen en mechanica, Penn State. "De meeste bestaande bruikbare materialen worden ontdekt door trial-and-error-experimenten, maar hier hebben we een nieuw piëzo-elektrisch keramiek ontworpen en gesynthetiseerd, geleid door theorie en simulaties."

Het team analyseerde eerst de impact van het toevoegen van verschillende chemische doteringsmiddelen op de lokale structuur van een bestaand ferro-elektrisch keramiek. Ze waren vervolgens in staat om de pool van effectieve doteringen te verminderen door de gemeten diëlektrische verliezen te vergelijken met de handtekeningen verkregen uit faseveldsimulaties. Na de screening van doteerstoffen, ze richtten zich vervolgens op het optimaliseren van het proces en de samenstelling om de ultrahoge piëzo-elektriciteit te bereiken.

"Dit werk is gebaseerd op een begrip van de oorsprong van ultrahoge piëzo-elektriciteit in de ferro-elektrische kristallen die 30 jaar geleden werden ontwikkeld. Ons nieuwe begrip suggereerde dat lokale structuurheterogeniteit een belangrijke rol speelt in piëzo-elektriciteit in ferro-elektriciteit, die ook kan worden uitgebreid tot andere functionaliteiten, " zei co-corresponderende auteur Shujun Zhang, een professor in materiaalkunde, voorheen aan Penn State en nu aan de Universiteit van Wollongong in Australië.

Lokale structuurheterogeniteit verwijst naar structurele vervormingen op nanoschaal in een gastheermateriaal dat is gecreëerd door een kleine hoeveelheid chemische soorten te doteren, in dit geval doping samarium in PMN-PT keramiek, als een manier om het thermodynamische energielandschap van het materiaal te wijzigen, wat op zijn beurt de diëlektrische eigenschappen verhoogt - het vermogen van een materiaal om te reageren op een elektrostatisch veld - en het piëzo-elektrische effect.

"Dit materiaal is een goede keuze om te gebruiken in transducers, zoals die worden gebruikt bij medische echografie, " zei hoofdauteur Fei Li, een onderzoeksmedewerker bij Penn State. "We hebben al apparaten gemaakt van ons materiaal door een groep aan de University of Southern California."

Dat apparaat, een naaldtransducer genoemd, maakt gebruik van een submillimeter piëzo-elektrisch element van het Penn State-materiaal, geplaatst in een standaard naald of katheter, om minimaal invasieve procedures uit te voeren, om afbeeldingen in het lichaam te maken of om precisiechirurgie in het lichaam te begeleiden. Het apparaat presteert beter dan bestaande apparaten met dezelfde afmetingen, zei Li.

Penn State heeft een voorlopig patent aangevraagd op het materiaal.