Utveckling av en teoretisk grund för ultrahög piezoelektricitet i ferroelektriska material ledde till ett nytt material med dubbelt så hög piezosvar som någon befintlig kommersiell ferroelektrisk keramik, enligt ett internationellt team av forskare från Penn State, Kina och Australien.

Piezoelektricitet är den materiella egenskapen i hjärtat av medicinsk ultraljud, ekolod, aktiv vibrationskontroll och många sensorer och ställdon. Ett piezoelektriskt material har förmågan att mekaniskt deformeras när en elektrisk spänning appliceras eller att generera elektrisk laddning när en mekanisk kraft appliceras.

Lägga till små mängder av ett noggrant utvalt sällsynt jordartsmaterial, samarium, till en högpresterande piezoelektrisk keramik som kallas blymagnesiumniobat-blytitanat (PMN-PT) ökar dess piezoprestanda dramatiskt, forskarna rapporterar i Naturmaterial Denna vecka. Denna material-för-design-strategi kommer också att vara användbar vid utformning av material för andra applikationer, tror laget.

"Detta är inte det typiska sättet att utveckla nya material, "sa lagets motsvarande författare, Long-Qing Chen, Donald W. Hamer Professor i materialvetenskap och teknik, professor i matematik, och professor i ingenjörsvetenskap och mekanik, Penn State. "Majoriteten av befintliga användbara material upptäcks genom försök-och-fel-experiment. Men här konstruerade och syntetiserade vi en ny piezoelektrisk keramik styrd av teori och simuleringar."

Teamet analyserade först effekten av att lägga till olika kemiska dopämnen på den lokala strukturen hos en befintlig ferroelektrisk keram. De kunde sedan minska poolen av effektiva dopämnen genom att jämföra de uppmätta dielektriska förlusterna med signaturerna från fasfältssimuleringar. Efter screening av dopningsmedel, de fokuserade sedan på att optimera processen och sammansättningen för att uppnå den ultrahöga piezoelektriciteten.

"Detta arbete är baserat på en förståelse för ursprunget till ultrahög piezoelektricitet i de ferroelektriska kristallerna som utvecklades för 30 år sedan. Vår nya förståelse föreslog att lokal strukturheterogenitet spelar en viktig roll för piezoelektricitet i ferroelektriker, som också kan utvidgas till andra funktioner, "sa medförsvarande författare Shujun Zhang, en professor i materialvetenskap tidigare vid Penn State och nu vid University of Wollongong i Australien.

Lokal strukturheterogenitet hänvisar till strukturella förvrängningar i nanoskala i ett värdmaterial skapat genom att dopa en liten mängd kemiska arter, i detta fall doping samarium i PMN-PT keramik, som ett sätt att modifiera materialets termodynamiska energilandskap, vilket i sin tur ökar de dielektriska egenskaperna - materialets förmåga att reagera på ett elektrostatiskt fält - och den piezoelektriska effekten.

"Detta material är ett bra val att använda i givare, som de som används vid medicinsk ultraljud, "sade huvudförfattaren Fei Li, en forskningsassistent vid Penn State. "Vi har redan enheter tillverkade av vårt material av en grupp vid University of Southern California."

Den enheten, kallas en nålgivare, använder ett submillimeter piezoelektriskt element i Penn State -materialet, inpassad i en vanlig nål eller kateter, för att utföra minimalt invasiva procedurer, till bild inuti kroppen eller för att styra precisionskirurgi inuti kroppen. Enheten har bättre prestanda än befintliga enheter med samma dimensioner, Sa Li.

Penn State har lämnat in ett provisoriskt patent på materialet.