Meget deformerbar piezoelektrisk nanotruss til taktil elektronik

Med vigtigheden af ​​kontaktløse miljøer vokser på grund af COVID-19, taktile elektroniske enheder, der bruger haptisk teknologi, vinder indpas som nye kommunikationsmedier.

Haptisk teknologi anvendes på en bred vifte af områder såsom robotteknologi eller interaktive skærme. Haptiske handsker bliver brugt til udvidet informationskommunikationsteknologi. Effektive piezoelektriske materialer, der kan omdanne forskellige mekaniske stimuli til elektriske signaler og omvendt, er en forudsætning for at fremme højtydende haptisk teknologi.

Et forskerhold ledet af professor Seungbum Hong bekræftede potentialet i taktile enheder ved at udvikle keramiske piezoelektriske materialer, der er tre gange mere deformerbare. Til fremstilling af meget deformerbare nanomaterialer, forskerholdet byggede en zinkoxid hul nanostruktur ved hjælp af nærhedsfelts nanomønstre og atomart lagdelt aflejring. Den piezoelektriske koefficient blev målt til ca. 9,2 pm/V, og nanopillar kompressionstesten viste en elastisk belastningsgrænse på ca. 10 %, hvilket er mere end tre gange større end det for bulk-zinkoxid.

Piezoelektrisk keramik har en høj piezoelektrisk koefficient med en lav elastisk belastningsgrænse, hvorimod det modsatte er tilfældet for piezoelektriske polymerer. Derfor, det har været meget udfordrende at opnå god ydeevne i både høje piezoelektriske koefficienter samt høje elastiske tøjningsgrænser. For at bryde den elastiske grænse for piezoelektrisk keramik, forskerholdet introducerede en 3-D truss-lignende hul nanostruktur med nanometerskala tynde vægge.

Ifølge Griffith-kriteriet, brudstyrken af ​​et materiale er omvendt proportional med kvadratroden af ​​den allerede eksisterende fejlstørrelse. Imidlertid, en stor fejl er mindre tilbøjelig til at opstå i en lille struktur, hvilken, på tur, øger materialets styrke. Derfor, implementering af formen af ​​en 3-D truss-lignende hul nanostruktur med nanometerskala tynde vægge kan forlænge materialets elastiske grænse. Desuden, en monolitisk 3-D struktur kan modstå store belastninger i alle retninger og samtidig forhindre tab fra flaskehalsen. Tidligere har brudegenskaberne af piezoelektriske keramiske materialer var svære at kontrollere, på grund af den store variation i revnestørrelser. Imidlertid, forskerholdet begrænsede strukturelt revnestørrelserne for at styre brudegenskaberne.

Professor Hongs resultater viser potentialet for udvikling af meget deformerbare keramiske piezoelektriske materialer ved at forbedre den elastiske grænse ved hjælp af en 3-D hul nanostruktur. Da zinkoxid har en relativt lav piezoelektrisk koefficient sammenlignet med andre piezoelektriske keramiske materialer, anvendelse af den foreslåede struktur på sådanne komponenter lovede bedre resultater med hensyn til den piezoelektriske aktivitet.

"Med fremkomsten af ​​ikke-kontakt-æraen, betydningen af ​​følelsesmæssig kommunikation er stigende. Gennem udviklingen af ​​nye taktile interaktionsteknologier, ud over den nuværende visuelle og auditive kommunikation, menneskeheden vil gå ind i en ny æra, hvor de kan kommunikere med alle ved hjælp af alle fem sanser, uanset placering, som om de var sammen med dem personligt, " sagde professor Hong.

"Mens der skal udføres yderligere forskning for at realisere anvendelsen af ​​de foreslåede designs til haptiske forbedringsanordninger, denne undersøgelse har høj værdi, idet den løser et af de mest udfordrende problemer i brugen af ​​piezoelektrisk keramik, specifikt at åbne nye muligheder for deres anvendelse ved at overvinde deres mekaniske begrænsninger.