Design af et nyt materiale til forbedret ultralyd

Udvikling af et teoretisk grundlag for ultrahøj piezoelektricitet i ferroelektriske materialer førte til et nyt materiale med dobbelt så meget piezoreaktion som enhver eksisterende kommerciel ferroelektrisk keramik, ifølge et internationalt team af forskere fra Penn State, Kina og Australien.

Piezoelektricitet er den materielle egenskab i hjertet af medicinsk ultralyd, ekkolod, aktiv vibrationskontrol og mange sensorer og aktuatorer. Et piezoelektrisk materiale har evnen til mekanisk at deformere, når en elektrisk spænding påføres eller til at generere elektrisk ladning, når en mekanisk kraft påføres.

Tilføjelse af små mængder af et omhyggeligt udvalgt sjældent jordartsmateriale, samarium, til en højtydende piezoelektrisk keramik kaldet blymagnesiumniobat-blytitanat (PMN-PT) øger dets piezo-ydelse dramatisk, forskerne rapporterer i Naturmaterialer denne uge. Denne materialer-til-design strategi vil også være nyttig til at designe materialer til andre applikationer, mener holdet.

"Dette er ikke den typiske måde at udvikle nye materialer på, "sagde holdets medsvarende forfatter, Long-Qing Chen, Donald W. Hamer Professor i materialevidenskab og teknik, professor i matematik, og professor i ingeniørvidenskab og mekanik, Penn State. "Størstedelen af ​​eksisterende nyttige materialer opdages ved forsøg med fejl. Men her designede og syntetiserede vi en ny piezoelektrisk keramik styret af teori og simuleringer."

Teamet analyserede først virkningen af ​​at tilføje forskellige kemiske dopemidler på den lokale struktur af en eksisterende ferroelektrisk keramik. De var derefter i stand til at reducere puljen af ​​effektive dopemidler ved at sammenligne de målte dielektriske tab med signaturerne opnået fra fasefeltsimuleringer. Efter screening af dopemidler, de fokuserede derefter på at optimere processen og sammensætningen for at opnå den ultrahøje piezoelektricitet.

"Dette arbejde er baseret på en forståelse af oprindelsen til ultrahøj piezoelektricitet i de ferroelektriske krystaller, der blev udviklet for 30 år siden. Vores nye forståelse antydede, at lokal struktur heterogenitet spiller en vigtig rolle i piezoelektricitet i ferroelektriske forhold, som også kan udvides til andre funktioner, "sagde den tilsvarende forfatter, Shujun Zhang, en professor i materialevidenskab tidligere i Penn State og nu ved University of Wollongong i Australien.

Lokal struktur heterogenitet refererer til strukturelle forvrængninger i nanoskala i et værtsmateriale skabt ved doping af en lille mængde kemiske arter, i dette tilfælde doping samarium i PMN-PT keramik, som en måde at ændre materialets termodynamiske energilandskab, hvilket igen øger de dielektriske egenskaber - et materiales evne til at reagere på et elektrostatisk felt - og den piezoelektriske effekt.

"Dette materiale er et godt valg at bruge i transducere, såsom dem, der bruges til medicinsk ultralyd, "sagde hovedforfatter Fei Li, en forskningsassistent i Penn State. "Vi har allerede enheder fremstillet af vores materiale af en gruppe ved University of Southern California."

Den enhed, kaldet en nåletransducer, bruger et submillimeter piezoelektrisk element i Penn State -materialet, monteret i en standardnål eller et kateter for at udføre minimalt invasive procedurer, til billede inde i kroppen eller til at guide præcisionskirurgi inde i kroppen. Enheden har bedre ydeevne end eksisterende enheder med de samme dimensioner, Sagde Li.

Penn State har indgivet et foreløbigt patent på materialet.