Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) elemental mapping of a CGO film (~1.25 μm-thick) sample. For comparison, the EDX mapping images of different elements (Gd, Ce, O, Pt, Cr, Al, and Si) are presented separately. Credit: D.-S. Park et al.

Muligt paradigmeskifte inden for piezoelektricitet

Friday 18 Feb 22

Contact

Nini Pryds
Head of Section, Professor
DTU Energy
+45 46 77 57 52

Contact

Vincenzo Esposito
Professor
DTU Energy
+45 46 77 56 37

Fakta

Se den videnskabelige artikel i Science, ''Induced giant piezoelectricity in centrosymmetric oxides''.

Om Biowings:

  • Titel: Bio-compatible electrostrictive smart materials for future generation of medical micro-electro- mechanical systems (MEMS)
  • Støttet af EU-kommissionen I Horizon 2020-rammeprogrammet under det åbne Future Emerging Technologies (FET) program.
  • En såkaldt Research Innovation Action (RIA) i overensstemmelse med FET-programmets hovedmål: at støtte tidlige stadier af videnskabelig og teknologisk forskning og innovation omkring nye ideer hen imod radikalt nye fremtidige teknologier.
  • Partnere: DTU (koordinator), Weizmann Institute of Science (Israel), École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Schweiz), Lunds Universitet (Sverige).

https://www.biowings.eu/

Sammen med forskere fra bl.a. EPFL er DTU derudover med til at udvikle et nyt projekt I regi af universitetsalliancen EuroTech, der samler seks af Europas stærkeste tekniske universiteter: https://eurotech-universities.eu/

Forskere finder ny metode til at skabe piezoelektrisk effekt. Det kan bane vejen for nye anvendelser og brug af mere miljøvenlige materialer.

Piezoelektricitet bruges overalt. I ure, biler, alarmer, høretelefoner, pick ups til instrumenter, elektriske lightere og gasblus. Et af de mest gængse eksempler er formentlig kvarts-uret, hvor det netop er det piezoelektriske materiale kvarts, der er hele forudsætningen for urets funktion.

Piezoelektriske materialer, som f.eks. kvarts, har således den særlige egenskab, at når man sætter en elektrisk spænding til materialet, så ændres formen lidt. Det fungerer også den anden vej: Udsætter man dem for en mekanisk påvirkning, vil der skabes en elektrisk spænding.

I uret sender et batteri en elektrisk impuls til et kvartskrystal. Det får krystallen til at vibrere. Antallet af vibrationer tælles, og genererer en elektrisk impuls én gang i sekundet. Impulserne kan så drive et display eller en lille elektrisk motor, der via tandhjul drejer urets visere.

I mere højteknologiske sammenhænge vil piezoelektricitet ofte bruges i meget små sensorer, aktuatorer og resonatorer, og gå under betegnelsen MEMS (mikro-elektromekaniske systemer). Her må man bruge andre materialer end kvarts – materialer, som ofte indeholder bly i form af blyzirconattitanat (lead zirconate titanate, PZT).

Det kan vise sig, at blive en barriere for teknologiens udbredelse inden for eksempelvis det biomedicinske område, da bly er skadeligt for kroppen. Forskere vurderer ellers, at der er stort potentiale for piezoelektronik ift. diagnostik, prognostik og terapi.

I en ny, videnskabelig artikel i tidsskriftet Science, viser professor Nini Pryds og professor Vincenzo Esposito fra DTU Energi, at det er muligt at skabe piezoelektriske effekter i materialer, hvor det normalt ikke er muligt. Det baner vejen for at designe piezoelektriske materialer, som er blyfrie og langt mere miljøvenlige. Forskningen er udført sammen med kolleger fra EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne), Tel Aviv University og University of Antwerp.

Mere miljøvenlige materialer

Arbejdet udspringer af det DTU-koordinerede EU-projekt Biowings, hvor en række europæiske partnere forsker i at udvikle nye biomedicinske MEMS, der fremstilles med tynde, blyfri film baseret på Gadolinium-doteret oxidmaterialer, der er ugiftige og miljøvenlige. Det er en stor udfordring, men potentialet inden for bl.a. sortering af blodceller, bakterieseparation og estimering af hæmatokritniveauer er højt.

"Der findes allerede en række mikro-elektromekaniske systemer, men de indeholder ofte blyholdige-materialer, som ikke er egnede til at blive indopereret i mennesker. Målet med BioWings-projektet er at udvikle biokompatible materialer med egenskaber, der ligner de gængse blyholdige materialer, men som ikke indeholder bly eller de andre skadelige materialer,” siger Nini Pryds, og tilføjer:

”Den nye udvikling vil give et grundlæggende skridt fremad mod miljøvenlig piezoelektriske materialer med høj ydeevne til brug, f.eks. i bilteknologi og medicinske applikationer,” siger Nini Pryds.

Som en grundlæggende forudsætning afhænger piezoelektriske materialer af krystalsymmetrien. Typiske piezoelektriske materialer har et såkaldt ikke-centrosymmetrisk krystalgitter. Det betyder for eksempel at der, når man trykker på materialet, naturligt opstår en elektrisk spænding over materialet på grund af bevægelse af positive og negative ioner i forhold til hinanden. Det resulterer i at symmetrien i krystallet brydes. I mere end et århundrede har dette været en stor hindring for at finde nye piezoelektriske materialer, fordi piezoelektricitet kun kan skabes med ikke-centrosymmetrisk krystalgitter.

Muligt paradigmeskifte

Et af de opsigtsvækkende resultater ved det nye studie er, at man kan opnå en stor piezoelektrisk effekt ved materialer, der normalt ikke tillader det – altså centrosymmetriske materialer. Inducering af piezoelektricitet i centrosymmetriske oxider kan opnås ved at anvende vekselstrøm (AC) og jævnstrøm (DC) samtidig. Feltet fører til bevægelse af positive og negative iondefekter i materialet i forhold til hinanden hvilket resulterer i elektrisk dipol eller polarisering. Det bryder krystalsymmetrien i materialet, og derved opnår man piezoelektricitet i centrosymmetriske krystaller.

I følge Nini Pryds vil dette også kunne lade sig gøre med andre materialer med lignende atomare defekter, og kan således være med til at bane vejen for anvendelse af ikke-blybaseret piezoelektricitet I eksempelvis aktuatorer og sensorer.

”Foreløbig er piezoelektriske materialer kun begrænset til ikke-centrosymmetrisk krystalstruktur, hvilket medfører en betydelig begrænsning i hvilke antal materialer, der kan bruges. Vores nye resultater giver et paradigmeskifte i retning af at inducere piezoelektricitet i centrosymmetriske krystaller og udvider derved antallet af materialer, der kan anvendes. Jeg forventer, at det vil få en markant effekt inden for design af nye elektromekaniske enheder med nye biokompatible materialer,” siger Nini Pryds.

News and filters

Get updated on news that match your filter.