پیزوالکتریسیته

یکی از ویژگی‌های غیر معمولی که بعضی سرامیک‌ها ذخیره می‌کنند پدیده‌ی پیزوالکتریک است یا لغت تحت‌الفظی آن جریان ناشی از فشار: با اعمال نیروی خارجی دو قطبی‌ها تحریک می‌شوند و میدان الکتریکی ایجاد می‌شود. وارون کردن اثر نیرو(مثلاً از کششی به فشاری) جهت میدان را معکوس می‌کند.

از مواد پیزوالکتریک در مبدل‌ها و وسایلی که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند یا برعکس استفاده می‌شود. کاربردهای نام‌آشنایی از جمله پیکاپ گرامافون، میکروفون‌ها، مولدهای ماوراء صوت و حسگرهای سونار از خاصیت پیزوالکتریک استفاده می‌کنند. در پیکاپ گرامافون همچنان که قلم شیارهای رکورد را می‌پیماید یک اختلاف فشار به ماده‌ی پیزوالکتریک موجود در پیکاپ وارد می‌شود که نهایتاً به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود. این سیگنال قبل از ورود به بلندگو تقویت می‌شود. خاصیت پیزوالکتریک یک ویژگی مواد کریستالی دارای ساختار پیچیده‌ی بدون تقارن است. رفتار پیزوالکتریک یک پلی‌کریستال بوسیله‌ی گرم کردن بالاتر از دمای کوری و سپس خنک کردن تا دمای اتاق در مجاورت میدان الکتریکی قوی بهبود می‌یابد.

مقدمه

پیزوالکتریک باری است که در مواد جامد مشخصی به علت فشار مکانیکی انباشته می‌شود (مخصوصاً در کریستال‌ها، بعضی سرامیک‌ها و اجسام زیستی مانند استخوان، DNA و پروتئین‌های مختلف) . لغت پیزوالکتریک یعنی الکتریسیته‌ی ناشی از فشار که از لغت یونانی به معنای فشردن گرفته شده و الکتریک نماد عنبر است ( یک منبع قدیمی جریان الکتریکی).

اثر پیزوالکتریک از ارتباط خطی بین حالت مکانیکی و الکتریکی در مواد بلورین و شفاف بدون تقارن مرکزی درک می‌شود.

اثر پیزوالکتریک یک فرآیند قابل برگشت است؛ موادی که به طور مستقیم اثر پیزوالکتریک(تولید داخلی بار الکتریکی به دلیل اعمال نیروی مکانیکی) را انباشته می‌کنند اثر پیزوالکتریک معکوس(تولید داخلی نیروی الکتریکی در اثر اعمال میدان الکتریکی) را نیز انباشته می‌کنند.

به عنوان مثال سرامیک‌های PZT (Pb[ZrxTi۱-x]O۳ ۰≤x≤۱) اگر به اندازه ۰.۱ درصد از ابعادشان تغییر شکل دهند نیروی پیزوالکتریک قابل اندازه‌گیری تولید خواهند کرد. برعکس اگر میدان الکتریکی به آن‌ها اعمال شود به اندازه ۰.۱ درصد از ابعادشان تغییر شکل خواهند داد. پیزوالکتریک استفاده‌های مفیدی دارد از جمله تولید و ردیابی صوت، تولید ولتاژهای بالا، تولید فرکانس الترونیکی، میکروبالانس‌ها (ترازوهای بسیار دقیق) و متمرکز کردن اشعه‌های نور در مقیاس بسیار بزرگ. این پدیده همچنین بنیانی برای بسیاری از تکنیک‌های علمی و سودمند در مقیاس اتمی است؛ بررسی میکروسکوپی مثل STM، AFM، MTA SNOM و . . . همچنین استفاده‌های روزمره به عنوان منبع احتراق برای سیگار.

تاریخچه

اکتشاف و پژوهش‌های اولیه

اثر پیروالکتریک (تولید پتانسیل الکتریکی در پاسخ به دما) در اواسط قرن هجدهم توسط Carl Linnaeus و Franz Aepinus مطالعه شد و با الهام از این موضوع René Just Haüy و Antoine César Becquerel ادعا کردند بین فشار مکانیکی و بار الکتریکی رابطه‌ای وجود دارد گرچه آزمایش های آن‌ها نتیجه‌ی قاطعی نداد.

اولین اثبات تجربی اثر پیزوالکتریک در سال ۱۸۸۰ توسط برادران Pierre Curie و Jacques Curie انجام شد. آن‌ها دانششان را از پیروالکتریک با درکشان از ساختار کریستالی اساسی ترکیب کردند که منجر به پیش‌بینی رفتار کریستال‌ها شد و اثبات کردند کریستال‌هایtourmaline، quartz، topaz، cane sugar و Rochelle salt( (sodium potassium tartrate tetrahydrate خاصیت پیزوالکتریک دارند. Quartz و Rochelle salt بیش‌ترین پیزوالکتریک را در خود انباشته می‌کنند. اگرچه Curies اثر پیزوالکتریک معکوس را پیش‌بینی نکرد، اثر معکوس با روابط ریاضی توسط Gabriel Lippmann در سال ۱۸۸۱ از قوانین ترمودینامیک نتیجه شد. Curies بلافاصله وجود اثر معکوس را تأیید کرد و به تحقیقات خود ادامه داد تا اثبات کامل تغییر شکل الکتریکی-الاستیکی-مکانیکی سرامیک های پیزوالکتریک را بدست آورد.

در چند ده‌ی بعد، پیزوالکتریک یک پدیده‌ی کمیاب آزمایشگاهی باقی ماند. کارهای بیش‌تری برای تعریف ساختار کریستال‌هایی که پیزوالکتریک را در خود ذخیره می‌کنند انجام شد که در سال ۱۹۱۰ با انتشار (کتابی با موضوع فیزیک کریستال‌ها) Woldemar Voigt'sLehrbuch der Kristallphysik به اوج خود رسید که ۲۰ دسته‌ی کریستال طبیعی را که قابلیت ذخیره‌ی پیزوالکتریک داشتند، شرح داد و ثابت های پیزوالکتریک را با دقت زیاد توسط تحلیل‌ها و آمارهای کششی بدست آورد.

جنگ جهانی اول و پس از آن

اولین استفاده‌ی عملی از دستگاه‌های پیزوالکتریک، سونار(دستگاه‌ کاشف‌ زیر دریایی‌ بوسیله‌ امواج‌ صوتی‌) بود که در جنگ جهانی اول توسعه پیدا کرد. در سال ۱۹۱۷ در فرانسه پائول لانگ وین و همکارانش روی یک آشکارگر ماوراء صوت کار کردند . دستگاه از یک مبدل ساخته شده بود که از کریستال‌های نازک کوارتز که با دقت بین دو صفحه‌ی نازک استیل متصل شده بودند و یک هیدروفن(دستگاهی که اصوات زیر آب را ثبت می‌کند)برای شناسایی و بازگرداندن انعکاس صوت، تشکیل شده‌بود. با فرستادن صوت فرکانس بالا از مبدل و اندازه‌گیری مدت زمان رفت و برگشت صدا می‌توان فاصله تا شیء مورد نظر را اندازه‌گیری کرد.

استفاده‌ی موفقیت‌آمیز پیزوالکتریک در سونار موجب شد علاقه‌ی فزاینده‌ای در توسعه‌ی دستگاه‌های پیزوالکتریک ایجاد شود. در چند ده‌ی بعد مواد و کاربردهایی جدید از پیزوالکتریک کشف شد.

دستگاه های پیزوالکتریک در بسیاری از زمینه ها جا باز کردند. دستگاه ضبط صدای سرامیکی هم ارزان و هم دقیق بود و آسان‌تر ساخته می‌شد. پیشرفت مبدل های ماوراء صوت موجب شد سنجش گران‌روی(ویسکوزیته) و کشسانی در مایعات و جامدات آسان‌تر شود که نتیجه‌ی آن پیشرفتی عظیم در مطالعه بر روی مواد بود. بازتاب سنج‌های ماوراء صوت می‌توانستند ترک‌های فلزات را در ریخته‌گری بیابند که موجب افزایش ایمنی ساختار شد.

جنگ جهانی دوم و پس از آن

در جریان جنگ جهانی دوم گروه‌های غیر مستقل پژوهش در ایالات متحده‌ی آمریکا، روسیه و ژاپن دسته‌ی جدیدی از مواد ساخت بشر را کشف کردند که فروالکتریک نام گذاری شد و خیلی بیش‌تر از مواد طبیعی پیزوالکتریک را ذخیره می‌کردند و موجب علاقه‌ای وافر در توسعه‌ی BaTiO۳وبعدها ZrTiO۳ با ویژه‌گی‌هایی منحصربفرد شد.

یک نمونه‌ی مهم کاربرد پیزوالکتریک توسط آزمایشگاه‌های تلفن بل توسعه یافت. به دنبال جنگ جهانی اول فردریک بر روی تلفن بیسیم در دانشکده‌ی مهندسی مشغول به کار بود که باعث توسعه‌ی کریستال“AT cut” شد. کریستالی که در محدوده‌ی دمایی وسیعی مورد استفاده قرار می‌گرفت. این به لوازم فرعی سنگینی که کریستال قبلی نیاز داشت، نیاز نداشت. نتیجه‌ی آن تسهیل استفاده در صنایع هوایی بود. با استفاده از رادیو در صنعت، هواپیماها می‌توانستند حملات دسته جمعی هماهنگ انجام دهند.

پیشرفت دستگاه‌های پیزوالکتریک و علم مواد منحصراً در داخل کمپانی‌های توسعه دهنده نگهداری شد که بیش از همه به علت شروع جنگ همچنین برای محفوظ داشتن حق امتیاز بود. کریستال‌های کوارتز اولین موادی بودند که از آن‌ها بهره‌برداری شد، اما دانشمندان به دنبال موادی با کارایی عالی بودند. با وجود پیشرفت در علم مواد و کامل شدن فرآیند تولید، بازار ایالات متحده به آن سرعت رشد نکرد. بدون بازار مصرف جدید، پیشرفت صنعت پیزوالکتریک ایالات متحده با مشکل جدی مواجه بود.

در مقابل تولید کننده‌های ژاپنی اطلاعاتشان را به اشتراک گذاشتند و به سرعت، هم از نظر فنی و هم از نظر تولیدی در مسابقه پیروز شدند و بازارهای جدیدی برای محصولات خود به وجود آوردند. تلاش‌های ژاپنی‌ها در علم مواد موجب ساخت مواد پیزوالکتریک جدیدی شد که با ایالات متحده رقابت می‌کرد، اما بدون محدودیت گران حق امتیاز. بیش‌تر پیشرفت‌های ژاپنی‌ها در علم پیزوالکتریک شامل طراحی‌های جدید در صافی‌های پیزوسرامیک برای رادیوها، تلویزیون‌ها، پیزوبوزرها(تولید صدای تیز و تند)، مبدل‌های صدا که می‌توانند مستقیماً به مدارهای الکتریکی متصل شوند و چاشنی‌های پیزوالکتریک که برای سیستم موتورهای کوچک(و بریان‌کن‌ها)جرقه تولید می‌کنند، بود. مبدل‌های ماوراء صوت که امواج را به هوا می‌فرستند مدت زیادی وجود داشتند اما اولین استفاده‌ی تجاری در کنترل‌های تلویزیون بود. امروزه این مبدل‌ها بر روی انواع مختلف ماشین‌ها به عنوان ردیاب کاربرد دارند و به راننده کمک می‌کنند فاصله‌ی عقب ماشین تا اجسامی که در سر راه آن قرار دارد را بفهمد.

ساز و کار و ساختمان

ذات اثر پیزوالکتریک به دوقطبی‌های الکتریکی لحظه‌ای در جامدات مربوط می‌شود. سطح خارجی ممکن است در شبکه‌ی کریستالی با بار نامتقارن محیطی تحریک شده باشد (از جمله درBaTiO۳ و PZTs) یا ممکن است مستقیماً توسط گروه‌های مولکولی حمل شود (به عنوان مثال در نیشکر). چگالی دوقطبی یا پلاریزاسیون [Cm/m۳] به سادگی با نتیجه‌گیری از دوقطبی‌های لحظه‌ای در واحد حجم سلول واحد برای کریستال‌ها محاسبه می‌شود. همچنان‌که هر دوقطبی یک بردار است چگالی دوقطبی نیز بردار است (یک کمیت برداری است). دوقطبی‌های نزدیک هم در مناطقی به نام قلمرو ویس جهت‌گیری می‌کنند. این قلمروها معمولاً تصادفی جهت‌دار می‌شوند اما می‌توانند توسط فرآیند قطبی‌سازی (با قطبی‌سازی مغناطیسی متفاوت است) هم‌جهت شوند، فرآیندی که یک میدان الکتریکی قوی (معمولاً در دماهای بالا) به جسم اعمال می‌شود. تمام مواد پیزوالکتریک قطبی نمی‌شوند.

نکته‌ی قطعی در مورد اثر پیزوالکتریک تغییر قطبش هنگام اعمال فشار مکانیکی است که ممکن است به علت ایجاد آرایش فضایی جدید دوقطبی ها یا به علت جهت‌گیری مولکول‌های قطبی لحظه‌ای تحت اثر نیروی خارجی باشد سپس خاصیت پیزوالکتریک در اثر تنوع در قدرت دوقطبی‌ها یا جهت آن‌ها یا هر دو به وجود آید. این اثر بستگی دارد به:

۱) جهت گیری دوقطبی ها درون کریستال

۲) تقارن کریستال

۳) فشار مکانیکی اعمالی

تغییر در قطبش در تغییر چگالی سطحی بار در سطوح کریستالی ظاهر می‌شود یعنی تنوع میدان الکتریکی در سطوح، چون که واحد چگالی بار سطحی و قطبش یکسان است [C/m۲] = [Cm/m۳]. اگرچه خاصیت پیزوالکتریک بر اثر تغییر در چگالی بار سطحی سبب نمی شود، اما به علت چگالی دو قطبی در سطح سبب می‌شود. به عنوان مثال اگر به یک سانتی‌متر مکعب کواتز ۲ کیلونیوتن نیرو وارد شود ۱۲۵۰۰ ولت اختلاف پتانسیل ایجاد می‌کند.

خاصیت پیزوالکتریک اثر ترکیب شده‌ی رفتار الکتریکی ماده است.

طبقه‌بندی کریستال‌ها

از ۳۲ گروه کریستال ۲۱ گروه تقارن مرکزی ندارند و از این‌ها ۲۰ گروه خاصیت پیزوالکتریک دارند (گروه ۲۱‌ام کلاس مکعب ۴۳۲ است) که ۱۰ تا از آن‌ها کلاس کریستال قطبی را نشان می‌دهند که قطبش خودبه‌خودی بدون فشار مکانیکی را دارا هستند و خاصیت پیروالکتریک (pyroelectricity) را ذخیره می‌کنند. اگر دوقطبی لحظه‌ای توسط میدان الکتریکی معکوس شود به آن ماده فروالکتریک (ferroelectric) گویند.

کلاس‌های کریستالی قطبی: ۱، ۲، m، mm۲، ۴، ۴ mm، ۳، ۳m، ۶، ۶ mm.

کلاس‌های کریستالی پیزوالکتریک: ۱، ۲، m، ۲۲۲، mm۲، ۴، ۴، ۴۲۲، ۴ mm، ۴۲m، ۳، ۳۲، ۳m، ۶، ۶، ۶۲۲، ۶ mm، ۶۲m، ۲۳، ۴۳m.

کریستال‌های قطبی بدون اعمال فشار مکانیکی نیز قطبی هستند. اثر پیزوالکتریک خود به خود بر اثر قدرت یا جهت قطبش یا هر دو آشکار می‌شود. از طرف دیگر کریستال‌های پیزوالکتریک غیرقطبی در اثر ایجاد دو قطبی فقط بر اثر اعمال فشار مکانیکی به وجود می‌آید. در این کریستال‌ها، تنش کریستال را از گروه غیرقطبی به گروه قطبی تبدیل می‌کند.

مواد

بسیاری مواد چه طبیعی چه ساخته‌ی دست بشر پیزوالکتریک را ذخیره می‌کنند.

کریستال‌های ذاتی

Berlinite (AlPO۴)، یک فسفات معدنی کمیاب که از نظر ساختمانی مشابه کوارتز است Cane sugar Quartz Rochelle salt Topaz Tourmaline-group minerals

سایر مواد طبیعی

استخوان: استخوان بی‌آب بعضی خواص پیزوالکتریک را ذخیره می‌کند. مطالعات فوکادا و بقیه نشان داد این‌ها به خاطر کریستال‌های آپاتایت که متقارن مرکزی هستند نیست بلکه به خاطر کلاژن است. کلاژن در ساختارش جهت‌گیری محوری قطبی مولکول‌های دوقطبی را ذخیره می‌کند و می‌توان آن‌ها را بیوالکترت محسوب کرد، یک نوع ماده‌ی دی‌الکتریک که فضای بار شبه ثابت و بار دوقطبی را ذخیره می‌کند. وقتی تعدادی از مولکول‌های کلاژن در یک جهت تحت فشار قرار می‌گیرند مقدار بار زیادی از داخل به سطح نمونه حمل می‌شود که انتظار می‌رود دلیل به وجود آمدن پتانسیل باشد.

اثر پیزوالکتریک عموماً به عنوان یک حسگر نیروی بیولوژیکی عمل می‌کند. این اثر در تحقیقات انجام شده در دانشگاه پنسیلوانیا در اواخر دهه ۱۹۷۰ و اوایل ۱۹۸۰ به کار گرفته شد که در نتیجه مشخص گردید استفاده‌ی پیوسته از پتانسیل الکتریکی می‌تواند هم تخریب استخوان‌ها و هم رشد استخوانها را (بسته به پلاریته یا قطبیت آنها) باعث شود. مطالعات بیش‌تر انجام گرفته در دهه‌ی ۱۹۹۰ معادله‌ی ریاضی را فراهم نمود که شباهت انتشار موج استخوان‌های بلند را همانند کریستال‌های شش گوشه (کلاس ۶) تایید می‌کرد.

Tendon Silk Wood (به علت تار و پود پیزوالکتریک آن) Enamel Dentin

کریستال‌های دست‌ساز

Gallium orthophosphate (GaPO۴)، a quartz analogic crystal Langasite (La۳Ga۵SiO۱۴)، a quartz analogic crystal

سرامیک‌های دست‌ساز

خانواده‌ی سرامیک‌های دارای ساختارهای پروسکایت و یا تنگستن- برنز، خواص پیزوالکتریک از خود نشان می‌دهند: Barium titanate (BaTiO۳)—(اولین سرامیک پیزوالکتریک کشف شده) Lead titanate (PbTiO۳) Lead zirconate titanate (Pb[ZrxTi۱−x]O۳ ۰≤x≤۱ Potassium niobate (KNbO۳) Lithium niobate (LiNbO۳) Lithium tantalate (LiTaO۳) Sodium tungstate (Na۲WO۳) Ba۲NaNb۵O۵ Pb۲KNb۵O۱۵

پیزوسرامیک‌های بدون سرب

اخیراً نگرانی‌ها در خصوص سمی بودن دستگاه‌ها و اجزای حاوی سرب افزایش یافته و در این خصوص استفاده از قوانین و مقررات محدودکننده مواد خطرناک را مطرح ساخته است. افزایش این نگرانی‌ها تأکید بر توسعه‌ی کامپوزیتی مواد پیزوالکتریک بدون سرب می‌باشد. Sodium potassium niobate (NaKNb) Bismuth ferrite (BiFeO۳) Sodium niobate NaNbO۳ تاکنون، نه اثر محیطی این مواد تایید شده و نه پایداری این مواد به هنگام تهیه‌ی آن‌ها.

پلیمرها

PVDF خاصیت پیزوالکتریک را چندین بار بیش‌تر از کوارتز نشان می‌دهد. بر خلاف سرامیک‌ها، که در آن ساختار کریستالی ماده به وجود آورنده‌ی اثر پیزوالکتریک است، در پلیمرها مولکول‌های زنجیره‌ی بلند مزدوج هنگامی که در محدوده‌ی یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند یکدیگر را جذب و دفع می‌کنند.

کاربردها

امروزه کریستال‌های پیزوالکتریک کاربردهای متعدد و بسیاری دارند از جمله:

منابع با ولتاژ و توان بالا

همان‌گونه که پیش از این اشاره گردید، پیزوالکتریسیته‌ی مستقیم برخی مواد مانند کوارتزها می‌توان تفاوت‌های فراوانی را در میزان ولتاژ ایجاد نماید.

شناخته‌شده‌ترین کاربرد موجود فندک الکتریکی می‌باشد: فشار شستی باعث می‌گردد چکش فنری به کریستال پیزوالکتریک ضربه وارد کند و جریان الکتریکی با ولتاژ کافی ایجاد گردد و جرقه جاری می‌گردد، و در نتیجه گاز را گرم و مشتعل می‌نماید. در حال حاضر بسیاری از جرقه‌زن‌های قابل حمل مبتنی بر این فناوری ساخته می‌شوند.

تحقیقات مشابهی نیز توسط دارپا در ایالات متحده صورت گرفته که پروژه‌ی آن زراعت انرژی نام گرفته است. این پروژه شامل بر فعالیت‌هایی بود که تجهیزات زمین جنگ از طریق ژنراتورهای پیزوالکتریک جای گرفته در پوتین سربازان باردار شود. با این حال، این منابع زراعت انرژی در مجموع آثاری بر روی بدن سربازان دارند. تلاش‌های دارپا در جهت به دست آوردن ۱ تا ۲ وات از اثر برخورد مستمر پوتین سربازان با زمین به هنگام راه رفتن، به واسطه عدم کاربردی بودن و به خاطر ناراحتی‌های ناشی از انرژی ایجاد شده توسط فردی که پوتین‌ها را به پا کرده است، متوقف گشت.

مبدل پیزوالکتریک نوعی چندراهه با ولتاژ AC می‌باشد. برخلاف یک مبدل معمولی که از جفت شدن مغناطیسی بین ورودی و خروجی بهره می‌گیرد، مبدل پیزوالکتریک از جفت شدن صوتی استفاده می‌کند. این ابزارها می‌توانند در تبدیل‌های DC-AC برای به کار انداختن لامپ‌های فلورسنت با کاتود سرد به کار گرفته شوند.

حسگرها

اصل مورد بحث در به کارگیری حسگرهای پیزوالکتریک این است که یک بعد فیزیکی که به یک نیرو تبدیل شده در دو جنبه متضاد از عنصر حسگر بودن عمل می‌کند. بسته به طراحی یک حسگر، گونه‌های مختلفی می‌تواند برای بارگذاری پیزوالکتریک مورد استفاده قرار گیرد.

تشخیص انواع فشار به شکل صدا معمول‌ترین نوع عمل حسگر است، به عنوان مثال میکروفن‌های پیزوالکتریک (امواج صوتی ماده پیزوالکتریک را مرتعش ساخته و باعث تغییر ولتاژ می‌شوند) و یا گیرنده‌های پیزوالکتریک در گیتارهای الکتریکی. حسگر پیزوالکتریک که به بدنه‌ی یک آلت (موسیقی) متصل شده باشد را میکروفن اتصال می‌خوانند.

حسگرهای پیزوالکتریک به طور ویژه توأم با صداهای با فرکانس بالا در مبدل‌های مافوق صوت جهت عکسبرداری‌های پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند .

پیزوالکتریک در نانو

آپریل و مارس ۲۰۰۹(منتشرشده از دانشگاه ام‌آی‌تی ) ژونگ لینگ ونگ فکر می‌کند که سیم های پیزوالکتریک نانو می‌توانند به وسایل پزشکی گذاشته شده در بدن نیرو برساند و به عنوان حسگرهای کوچک عمل کنند.

توسط کاترین بورزاک

نانو حسگرها به شدت حساس، کم مصرف و البته بسیا کوچکند. آن‌ها می‌توانند در شناسایی علائم مولکولی بیماری در خون، مقادیر جزیی گازهای سمی در جو و آلودگی‌ها در غذا مورد استفاده قرار گیرند.اما منابع انرژی و مدارهای لازم برای فعال سازی این وسایل کوچک ساخته شدن آن‌ها را دشوار می‌کند. هدف ونگ نیرو بخشیدن به دنیای نانو توسط مولدهای کوچکی که از پیزوالکتریک بهره می برند، می‌باشد. اگر او موفق شود، نانو حسگرهای زیستی و شیمیایی قادر خواهند بود به خودشان نیرو ببخشند.

پیزوالکتریک در مواد بلورین زیر فشار مکانیکی پتانسیل الکتریکی تولید می‌کند که بیش از یک قرن است که شناخته شده است. اما ونگ برای اولین بار در سال ۲۰۰۵ آن را در مقیاس نانو با خم کردن اکسید روی توسط پایه‌ی میکروسکوپ اتمی نشان داد. هنگامی که سیم خم می‌شود و به حالت اولیه بر می‌گردد پتانسیل تولید شده توسط یون‌های اکسیژن و روی جریان الکتریکی به وجود می‌آورند. جریانی که او از نخستین آزمایش بدست آورد اندک بود. پتانسیل الکتریکی حداکثر به چند میلی ولت می‌رسید. اما ونگ مطمئن بود که با علم مهندسی و با مهارکردن لرزه‌های کوچک اطرافمان یک نانو منبع انرژی طراحی کند از جمله امواج صدا، باد و تلاطم گردش خون بر روی وسیله‌ی کار گذاشته شده در بدن. این حرکات کوچک موجب خم شدن نانو سیم‌ها می‌شود که به تولید جریان الکتریکی می‌انجامد.

ونگ ماه نوامبر سال گذشته نانو سیم اکسید روی را در یک لایه پلیمر جاسازی کرد. هنگامی که ورقه خم شد mv۵۰ اختلاف پتانسیل تولید شد. این گامی بزرگ در راستای نیرو بخشیدن به نانو حسگرهاست.

ونگ امیدوار است نهایتاً این مولدها در تار و پود لباس بافته شود. در این صورت یک پیراهن می‌تواند انرژی لازم را برای شارژ شدن باتری وسایلی مثل iPod تأمین کند. ونگ گفت: فعلاً ولتاژ خروجی نانو مولدها برای این کار کافی نیست و ما باید به mv۲۰۰ یا بیش‌تر برسیم. او این کار را با لایه لایه کردن سیم ها انجام خواهد داد اگرچه این کار به ۵ تا ۱۰ سال مهندسی حرفه‌ای نیاز دارد.

در این هنگام ونگ اجزای مقدماتی برای گروه جدیدی از نانو حسگرها را نشان داد. او این تکنولوژی را نانو پیزوالکترونیک نامگذاری کرد و عنوان نمود نانو سیم‌های اکسید روی فقط اثر پیزوالکتریک را ذخیره نمی‌کنند بلکه نیمه رسانا نیز هستند. اولین ویژگی به آن‌ها اجازه می‌دهد به عنوان حسگرهای مکانیکی عمل کنند. به این علت که آن‌ها در پاسخ به فشار مکانیکی جریان الکتریکی تولید می‌کنند. دومی، یعنی آن‌ها می‌توانند در تولید اجزای پایه‌ی مدارهای پیچیده مثل ترانزیستور و دیود مورد استفاده قرار گیرند. برخلاف اجزای الکترونیکی قدیمی، نانوپیزوترونیک‌ها به منبع جریان خارجی نیاز ندارند و وقتی در معرض نیروی مکانیکی قرار می‌گیرند به خودشان نیرو وارد می‌کنند.

یک سمعک نانو پیزوالکترونیک ترکیب شده با نانو مولد از رشته‌ای از نانو سیم‌ها استفاده می‌کند که هر کدام تنظیم شده است در محدوده‌ی عظیمی از صداها با فرکانس متفاوت به ارتعاش درآید. نانو سیم‌ها صداها را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل و آن‌ها را پردازش می‌کنند به همین جهت آن‌ها مستقیماً می‌توانند به نرون‌ها‌ی مغز فرستاده شوند. سمعک‌ها نه فقط متراکم‌تر و حساس‌تر می‌شوند بلکه باتری‌های آن‌ها قابل تعویض خواهد بود. حسگرهای نانوپیزوالکترونیک همچنین برای تشخیص فشار مکانیکی در موتور هواپیما استفاده می‌شوند؛ فقط چند ترکیب کوچک نانو سیم فشار را برصفحه نمایش می‌آورد؛ اطلاعات را پردازش می‌کند و به کابین خلبان منتقل می‌کند. چه در بدن انسان چه بر روی هوا وسایل نانو کاربرد وسیعی دارند.

توسط کاترین بورزاک (منتشرشده از دانشگاه ام‌آی‌تی)

من این دوشنبه (۴/۶/۲۰۱۰) در جلسه‌ی جامعه‌ی تحقیقات علم مواد در ملاقات تابستانه‌ی خود در سانفرانسیسکو با ونگ نشستی داشتم که کار وی روی نانو حسگرهای خودتوان را جزء "۱۰ تکنولوژی برتر" سال گذشته انتخاب کردیم که نتیجه‌ی عظیمی در بر دارد.

مشکل موجود گرفتن ولتاژ قابل توجه از آن‌هاست. ونگ آخرین اطلاعات را ارائه کرد که نشان می‌داد او ولتاژ تولید شده با نانو سیم‌ها را ترقی بخشیده است. طراحی جدید میلیون‌ها نانو سیم اکسید روی در طبقه‌بندی در پوشش پلاستیک را شامل می‌شود. ونگ pH و حسگرهای اشعه‌ی UV را با این وسایل ملحق کرد و نشان داد که وقتی تحت فشار قرار بگیرند می‌توانند به حسگر نیرو بدهند. در ابتدای این ماه در روزنامه‌ی طبیعت ونگ یک وسیله قابل انعطاف را گزارش داد که وقتی تحت فشار قرار گیرد ۱.۲ ولت اختلاف پتانسیل تولید می‌کند. او عنوان کرد که هم اکنون وسایلی ساخته است که ۲.۴ ولت اختلاف پتانسیل تولید می‌کنند. ونگ گفت که او نانو تکنولوژی خود توان بر پایه‌ی این وسایل ذخیره کننده‌ی انرژی را در سال ۲۰۰۶ پیشنهاد کرده است. شرکت‌های دیگری مثل سامسونگ به طور مستقل روی این موضوع کار می‌کنند. وسایلی که انرژی هدر رفته را ذخیره می‌کنند و امکانات جدیدی را به ارمغان می آورند مثل لباس‌هایی که با حرکات بدن وسایل الکترونیکی را شارژ می‌کنند. هم اکنون محققان اولین مولدها را که بر پایه‌ی نانو سیم‌ها کار می‌کنند تولید کرده است که انرژی مکانیکی لازم را برای نیرو رساندن به وسایل الکترونیکی کوچک مثل دیودها و صفحه‌ی نمایش کریستال مایع ذخیره می‌کنند.

پیزوالکتریک‌ها قبلاً در میکروفن‌ها، حسگرها، ساعت‌ها و . . . استفاده شده‌اند اما تلاش برای ذخیره‌ی انرژی بیومکانیکی توسط آن‌ها بی‌نتیجه ماند زیرا آن‌ها بیش از اندازه سفت‌اند. پلیمرهای پیزوالکتریک موجودند اما استفاده از آن‌ها به صرفه نیست. ونگ روی ایده‌ی جدیدی کار می‌کند که فرو بردن نانو سیم‌ها در مواد قابل انعطاف است.

خلاصه و نتیجه‌گیری

اثر پیزوالکتریک توانایی برخی مواد می‌باشد برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی. این اثر را برادران کوری، پی‌یر و ژاک کوری، در دهه‌ی ۱۸۸۰ کشف کردند. موادی که این پدیده را از خود بروز می‌دهند مواد پیزوالکتریک نامیده می‌شوند. اثر پیزوالکتریک در انواع بسیاری از مواد از جمله تک بلورها، سرامیک‌ها، بسپارها و مواد مرکب دیده می‌شود. تولید اختلاف پتانسیل الکتریکی در برخی بلورهای نارسانا مثل کوارتز تحت کشش یا فشار معکوس هم‌اند و هر چه میزان فشار یا کشش بیش‌تر باشد، اختلاف پتانسیل تولید شده بیش‌تر است. اثر پیزوالکتریک معکوس به معنی تغییر شکل آن‌ها بر اثر اعمال اختلاف پتانسیل الکتریکی است. اگر دو وجه روبرویی در هر یک از این بلورها را به اختلاف پتانسیل متناوب الکتریکی وصل کنیم، تغییر شکل متناوبی در آن رخ می‌دهد و به ارتعاش در می‌آید.

ژونگ لینگ ونگ آینده‌ی بسیار درخشانی برای نانو پیزوالکتریک می‌بیند و فکر می‌کند که سیم‌های نانو پیزوالکتریک می‌توانند به وسایل پزشکی گذاشته شده در بدن نیرو برساند و به عنوان حسگرهای کوچک عمل کنند.

منابع و مآخذ

۱) www.technologyreview.com

www.sciencedirect.com (۲

۳) Saito، Yasuyoshi; Takao، Hisaaki; Tanil، Toshihiko; Nonoyama، Tatsuhiko; Takatoril Kazumasa; Homma، Takahiko; Nagaya، Toshiatsu; Nakamura، Masaya (۲۰۰۴-۱۱-۰۴). "Lead-free piezoceramics"

۴) Harper، Douglas. "piezoelectric"

۵) M. Minary-Jolandan، and Min-Feng Yu، Nanotechnology ۲۰ (۲۰۰۹) ۰۸۵۷۰۶ (۶pp)

۶) Willam D. Callister، JR Fundamental of Materials Science and Engineering، Sixth edition

استانداردهای بین‌المللی

• ANSI-IEEE ۱۷۶ (۱۹۸۷) Standard on Piezoelectricity
• IEEE ۱۷۷ (۱۹۷۶) Standard Definitions & Methods of Measurement for Piezoelectric Vibrators
• IEC ۴۴۴ (۱۹۷۳) Basic method for the measurement of resonance freq & equiv series resistance of quartz crystal units by zero-phase technique in a pi-network
• IEC ۳۰۲ (۱۹۶۹) Standard Definitions & Methods of Measurement for Piezoelectric Vibrators Operating over the Freq Range up to ۳۰ MHz

مطالعات بیش‌تر

Gautschi، Gustav H.، ۲۰۰۲، Piezoelectric Sensorics، Springer، ISBN ۳-۵۴۰-۴۲۲۵۹-۵

Fundamentals of Piezoelectrics

Piezo motor based microdrive for neural signal recording

History of Piezoelectricity

Research on new Piezoelectric materials

Piezo Equations

Piezo in Medical Design

Video demonstration of Piezoelectricity

DoITPoMS Teaching and Learning Package – Piezoelectric Materials

Piezo Motor Types

جستارهای وابسته

• نقطه کوری