Ett team av forskare vid University of Pennsylvania får ny inblick i de smarta materialen som används inom ultraljudsteknik. Samtidigt som den mest grundliga modellen hittills för hur dessa material fungerar, de har funnit slående likheter med vattnets beteende.

Forskningen, publicerad i Natur , leddes av Andrew M. Rappe, Blanchardprofessorn i kemi vid School of Arts &Sciences och en professor i materialvetenskap och teknik vid Tekniska högskolan, och postdoc Hiroyuki Takenaka vid Institutionen för kemi. Penn Research Specialist Ilya Grinberg och alumnen Shi Liu bidrog också till studien.

Forskarna i denna grupp är intresserade av hur material interagerar med, utnyttja och omvandla energi till olika former. I den här studien, de undersökte ett beteende hos smart material som kallas piezoelektricitet, som är utbytet av mekanisk energi med elektrisk energi.

I piezoelektricitet, applicering av ett elektriskt fält på ett material som omorienterar dipoler inom det; detta är nyckeln till materialets funktionalitet.

"Du kan tänka dig att det finns en bur av syreatomer, "Rappe sa, "och det finns en positiv jon i mitten. Om den sitter mitt i buren så finns det ingen dipol, men om den rör sig utanför mitten finns det en dipol. Omläggningen av dessa dipoler är det som leder till dessa smarta materialegenskaper. "

När de positiva jonerna rör sig utanför mitten, burarna hos joner som omger dem antingen krymper eller förlängs på ett samordnat sätt, gör att materialet ändrar form.

I ultraljudsenheter, att ge spänning får materialet att ändra form, eller vibrera, och dessa vibrationer kommer in i människokroppen och ekar runt. Piezoelektriska material används också i ekolod för att låta instrument se under vatten.

Nyligen, en uppsättning material upptäcktes som forskare tror ger högre piezoelektriska prestanda än tidigare. Men på en grundläggande nivå, Rappe sa, människor förstod inte varför dessa material fungerar så bra som de gör.

"Om du inte vet varför det fungerar, hur kan du möjligen bakåtkonstruera den och komma till nästa nivå? "sa han.

Forskare använder ofta teori och modellering för att studera smarta material. De har en uppfattning om hur de tror att ett system fungerar och kan skildra vad ett faktiskt material gör genom att lösa några ekvationer.

"En sak som vi ofta gör är att lösa ekvationerna för kvantmekanik eftersom kvantmekanik är känd för att vara en exakt modell för hur elektroner beter sig, "Rappe sa." Elektronerna är limet som håller ihop kärnorna. Om du vet hur de beter sig, då vet du vad som avgör när bindningar bryts och bildas och så vidare. "

Men en spännande utveckling, han sa, är förmågan att gå utöver vad forskare har råd med kvantmekaniskt och bygga mekaniska modeller för att ge dem ett mer ungefärligt sätt att hantera bindningarna i ett fast material samtidigt som de tillåter dem att modellera ändlig temperatur, större mängder material och under längre perioder.

"Detta gör att vi kan observera beteenden som tar lång tid att hända eller bara händer djupt inne i ett material, och detta ger oss unika perspektiv på komplicerade beteenden, Sa Rappe.

Medan andra experiment har undersökt detta material och några teoretiska modeller har avslöjat vissa aspekter av det, Penn -forskarna har nu tillhandahållit den hittills mest omfattande modellen för hur detta material fungerar.

Tidigare, forskare trodde att vid högre temperaturer är det "varje dipol för sig själv, "gör det lätt för dem att reagera på yttre stimuli som elektriska fält.

När materialet svalnar, dipolerna klumpar sig i grupper som kallas polära nanoregioner. När dessa regioner blir större, de blir tröga och det blir allt svårare för dem att svara.

I denna nya tidning, forskarna visade att medan dipoler i själva verket svävar fria vid högre temperaturer när temperaturen svalnar och dipolerna hittar varandra och bildar dessa polära nanoregioner, regionerna växer sig faktiskt inte större utan blir bara mer grundligt anpassade.

Detta leder till att domänväggar föds in i materialet som separerar fläckar med olika inriktning. Det är dessa domänväggar mellan dipolära regioner som leder till förbättrade piezoelektriska egenskaper i materialet.

Detta ekar ett liknande beteende i vatten, där ju lägre temperatur desto mer korrelerade dipoler blir, men korrelationen håller inte på större avstånd.

"De är aldrig helt i linje, "Rappe sa." Vattendipoler i närheten kan bli mer och mer inriktade, men på grund av vätebindning finns det en viss egen storlek som den inte växer ut. "

Piezoelektriska material är ett viktigt element i givare, ställdon och sensorer som används i många branscher. Bristande förståelse för hur de fungerar har bromsat förbättringen av material av högre kvalitet. Det här dokumentet ger en ny förståelse för hur de fungerar och avslöjar likheter med vattnets beteende.

En mer fullständig förståelse för varför dessa material beter sig som de gör kan låsa upp nya materialdesign, vilket leder till högre piezoelektrisk kvalitet som kan revolutionera smarta materialapplikationer.

"Det är spännande att kunna bygga upp en modell från enskilda elektroner upp till miljontals atomer vid begränsad temperatur och observera komplexa egenskaper, "Rappe sa, "och det är spännande att observera de komplexa egenskaperna ger oss nya produktiva riktningar där vi kan förbättra material som mer effektivt omvandlar energi till användbara enheter för att hjälpa människor."