Smarte materialer, der bruges i ultralyd, opfører sig som vand, kemikere rapporterer

Et team af forskere ved University of Pennsylvania får ny indsigt i de smarte materialer, der bruges i ultralydsteknologi. Mens de danner den mest grundige model til dato for, hvordan disse materialer fungerer, de har fundet slående ligheder med vandets opførsel.

Forskningen, udgivet i Natur , blev ledet af Andrew M. Rappe, Blanchard -professoren i kemi på School of Arts &Sciences og en professor i materialevidenskab og teknik på School of Engineering and Applied Science, og postdoc Hiroyuki Takenaka i Institut for Kemi. Penn Research Specialist Ilya Grinberg og alumnen Shi Liu bidrog også til undersøgelsen.

Forskerne i denne gruppe er interesserede i, hvordan materialer interagerer med, udnytte og omdanne energi til forskellige former. I dette studie, de undersøgte en adfærd af smart materiale kaldet piezoelektricitet, som er udvekslingen af ​​mekanisk energi med elektrisk energi.

I piezoelektricitet, at påføre et elektrisk felt på et materiale omorienterer dipoler inden i det; dette er nøglen til materialets funktionalitet.

"Du kan forestille dig, at der er et bur med iltatomer, " sagde Rappe, "og der er en positiv ion i midten. Hvis den sidder i midten af ​​buret, er der ingen dipol, men hvis den bevæger sig væk fra midten, er der en dipol. Omarrangeringen af ​​disse dipoler er det, der fører til disse smarte materialeegenskaber."

Når de positive ioner bevæger sig væk fra midten, burene af ioner, der omgiver dem, enten krymper eller forlænges på en fælles måde, får materialet til at ændre form.

I ultralydsapparater, giver spænding får materialet til at ændre form, eller vibrere, og disse vibrationer kommer ind i den menneskelige krop og ekko rundt. Piezoelektriske materialer bruges også i sonar for at give instrumenter mulighed for at se under vand.

For nylig, et sæt materialer blev opdaget, som forskerne mener giver højere piezoelektrisk ydeevne end tidligere. Men på et grundlæggende niveau, Rappe sagde, folk forstod ikke, hvorfor disse materialer fungerer så godt, som de gør.

"Hvis du ikke ved, hvorfor det virker, hvordan kunne du eventuelt reversere det og komme til næste niveau?" sagde han.

Forskere bruger ofte teori og modellering til at studere smarte materialer. De har en idé om, hvordan de tror, ​​et system fungerer og kan skildre, hvad et faktisk materiale gør ved at løse nogle ligninger.

"En ting, vi ofte gør, er at løse kvantemekanikkens ligninger, fordi kvantemekanikken er kendt for at være en nøjagtig model for, hvordan elektroner opfører sig, " sagde Rappe. "Elektronerne er limen, der holder kernerne sammen. Hvis du ved, hvordan de opfører sig, så ved du, hvad der bestemmer, hvornår bindinger brydes og dannes og så videre."

Men en spændende udvikling, han sagde, er evnen til at gå ud over, hvad forskere har råd til kvantemekanisk mekanisk og bygge mekaniske modeller for at give dem en mere omtrentlig måde at håndtere bindingerne på i et fast stof, samtidig med at de også kan modellere endelig temperatur, større mængder materiale og i længere tid.

"Dette giver os mulighed for at observere adfærd, der tager lang tid om at ske eller kun sker dybt inde i et materiale, og dette giver os unikke perspektiver på kompliceret adfærd, " sagde Rappe.

Mens andre eksperimenter har undersøgt dette materiale, og nogle teoretiske modeller har afsløret visse aspekter af det, Penn-forskerne har nu leveret den mest omfattende model til dato for, hvordan dette materiale fungerer.

Tidligere har forskere mente, at ved højere temperaturer er det "hver dipol for sig selv, " hvilket gør det nemt for dem at reagere på eksterne stimuli såsom elektriske felter.

Når materialet afkøles, dipolerne klumper sig i grupper kaldet polære nanoregioner. Efterhånden som disse regioner vokser sig større, de bliver træge, og det bliver stadig sværere for dem at reagere.

I dette nye blad, forskerne viste, at mens dipolerne ved højere temperaturer faktisk flyder frit, når temperaturen afkøles, og dipolerne finder hinanden og danner disse polære nanoregioner, regionerne vokser faktisk ikke større, men bliver i stedet mere nøje tilpasset.

Dette fører til fødslen af ​​domænevægge i materialet, der adskiller pletter med forskellig justering. Det er disse domænevægge mellem dipolære områder, der fører til forbedrede piezoelektriske egenskaber i materialet.

Dette afspejler en lignende adfærd i vand, hvor lavere temperaturen jo mere korreleret dipolerne bliver, men korrelationen holder ikke ved større afstande.

"De er aldrig helt på linje, " sagde Rappe. "Nærliggende vanddipoler kan blive mere og mere justeret, men på grund af hydrogenbinding er der en iboende størrelse, som den ikke vokser ud over."

Piezoelektriske materialer er et vigtigt element i transducere, aktuatorer og sensorer, der bruges i mange brancher. Manglende forståelse for, hvordan de fungerer, har bremset forbedringen af ​​materialer af højere kvalitet. Dette papir giver en ny forståelse af, hvordan de fungerer, og afslører ligheder med vands adfærd.

En mere fuldstændig forståelse af, hvorfor disse materialer opfører sig, som de gør, kan låse op for nyt materialedesign, hvilket fører til piezoelektrisk kvalitet af højere kvalitet, der kan revolutionere smarte materialeapplikationer.

"Det er spændende at være i stand til at opbygge en model fra individuelle elektroner op til millioner af atomer ved endelig temperatur og observere komplekse egenskaber, "Rappe sagde, "og det er spændende, at observation af disse komplekse egenskaber giver os nye produktive retninger, hvor vi kan forbedre materialer, der mere effektivt vil konvertere energi til nyttige enheder til at hjælpe mennesker."