Med vikten av att kontaktlösa miljöer växer på grund av covid-19, taktila elektroniska apparater som använder haptisk teknologi vinner dragkraft som nya medier för kommunikation.

Haptisk teknologi används inom ett brett spektrum av områden som robotik eller interaktiva skärmar. Haptiska handskar används för utökad informationskommunikationsteknik. Effektiva piezoelektriska material som kan omvandla olika mekaniska stimuli till elektriska signaler och vice versa är en förutsättning för att utveckla högpresterande haptisk teknologi.

En forskargrupp ledd av professor Seungbum Hong bekräftade potentialen hos taktila enheter genom att utveckla keramiska piezoelektriska material som är tre gånger mer deformerbara. För tillverkning av mycket deformerbara nanomaterial, forskargruppen byggde en ihålig nanostruktur av zinkoxid med hjälp av nanomönster i närfältet och atomär skiktad deposition. Den piezoelektriska koefficienten uppmättes till cirka 9,2 pm/V och nanopelarkompressionstestet visade en elastisk töjningsgräns på cirka 10 %, vilket är mer än tre gånger större än det för bulk-zinkoxid.

Piezoelektrisk keramik har en hög piezoelektrisk koefficient med en låg elastisk töjningsgräns, medan motsatsen är sant för piezoelektriska polymerer. Därför, det har varit mycket utmanande att få bra prestanda i både höga piezoelektriska koefficienter och höga elastiska töjningsgränser. För att bryta den elastiska gränsen för piezoelektrisk keramik, forskargruppen introducerade en 3D-fackverksliknande ihålig nanostruktur med tunna väggar i nanometerskala.

Enligt Griffith-kriteriet, brotthållfastheten hos ett material är omvänt proportionell mot kvadratroten av den redan existerande briststorleken. Dock, ett stort fel är mindre sannolikt att uppstå i en liten struktur, som, i tur och ordning, förbättrar materialets styrka. Därför, Genom att implementera formen av en 3D-fackverksliknande ihålig nanostruktur med tunna väggar i nanometerskala kan materialets elastiska gräns förlängas. Vidare, en monolitisk 3D-struktur kan motstå stora påfrestningar i alla riktningar samtidigt som den förhindrar förlusten från flaskhalsen. Tidigare, brottegenskapen hos piezoelektriska keramiska material var svår att kontrollera, på grund av den stora variationen i sprickstorlekar. Dock, forskargruppen begränsade strukturellt sprickstorlekarna för att hantera sprickegenskaperna.

Professor Hongs resultat visar potentialen för utveckling av mycket deformerbara keramiska piezoelektriska material genom att förbättra den elastiska gränsen med hjälp av en 3-D ihålig nanostruktur. Eftersom zinkoxid har en relativt låg piezoelektrisk koefficient jämfört med andra piezoelektriska keramiska material, att tillämpa den föreslagna strukturen på sådana komponenter lovade bättre resultat när det gäller den piezoelektriska aktiviteten.

"Med tillkomsten av den kontaktfria eran, vikten av känslomässig kommunikation ökar. Genom utvecklingen av nya taktila interaktionsteknologier, utöver den nuvarande visuella och auditiva kommunikationen, mänskligheten kommer att gå in i en ny era där de kan kommunicera med vem som helst genom att använda alla fem sinnena oavsett var de befinner sig som om de är med dem personligen, " sa professor Hong.

"Medan ytterligare forskning måste utföras för att förverkliga tillämpningen av de föreslagna designerna för haptiska förbättringsanordningar, denna studie har högt värde genom att den löser en av de mest utmanande frågorna vid användningen av piezoelektrisk keramik, specifikt öppna nya möjligheter för deras tillämpning genom att övervinna deras mekaniska begränsningar.