Gli inventori giapponesi hanno creato piezoelettrici migliorati: cristalli trasparenti che saranno utili nello sviluppo della tecnologia di nuova generazione.
Alcuni materiali cristallini cambiano forma quando vengono colpiti da una scossa elettrica. Gli scienziati utilizzano da decenni questi cosiddetti piezoelettrici nella medicina degli ultrasuoni: i materiali basati su di essi sono così sensibili da poter rilevare il movimento delle onde sonore che passano attraverso i tessuti. I ricercatori hanno recentemente escogitato un nuovo modo per creare potenti piezoelettrici trasparenti che potrebbero non solo migliorare la qualità delle fotografie mediche, ma anche creare robot invisibili e touch screen che si attivano se toccati senza batterie di terze parti.
I piezoelettrici sono composti da molti minuscoli cristalliti o singoli cristalli di vari materiali, inclusi ceramiche e polimeri. In entrambi i casi, la miscela di atomi si trasforma in una semplice unità cristallina - di solito di pochi atomi di dimensione - che si ripete più e più volte. All'interno di ciascuno di questi elementi costitutivi, gli atomi si trovano in quello che viene chiamato un dipolo elettrico, con molte cariche positive su un lato e molte cariche negative sull'altro.
L'applicazione di pressione a questi materiali può modificare leggermente la posizione degli atomi, il che è sufficiente per riorganizzare le cariche e generare tensione elettrica. L'applicazione della tensione elettrica ha l'effetto opposto, facendo sì che il materiale si espanda in una direzione e si contragga nell'altra.
Questa proprietà rende i piezoelettrici estremamente utili in un'ampia varietà di applicazioni. Il bioingegnere Sri Rajasekhar Kotapalli osserva che i dispositivi piezoelettrici fanno parte di tutto, dagli accendini e dai pulsanti del barbecue ai sistemi di precisione dei moderni microscopi.
Sono anche necessari per l'imaging fotoacustico, in cui viene utilizzato un dispositivo piezoelettrico chiamato trasduttore per rilevare le onde ultrasoniche emesse dai tessuti molli quando la luce di un laser viene assorbita. Diverse molecole, dall'emoglobina alla melanina, assorbono frequenze diverse, quindi i medici possono visualizzare diversi tipi di tessuto per cercare problemi di salute. Tuttavia, i trasduttori opachi proiettano una piccola ombra, il che significa che il tessuto direttamente sotto di loro non può essere visualizzato. Per aggirare questo problema, i ricercatori hanno creato trasduttori utilizzando piezoelettrici trasparenti, ma finora questi materiali sono stati troppo deboli e inaffidabili per risolvere definitivamente il problema.
Diversi anni fa, i ricercatori in Giappone hanno escogitato un modo ingegnoso per creare piezoelettrici trasparenti. Il loro materiale preferito, un composto di niobato di piombo e titanato di piombo (PMN-PT), era un ferroelettrico che alimenta naturalmente i dipoli elettrici. I ricercatori hanno già convertito questi materiali in piezoelettrici esponendoli a una corrente elettrica CC. Ma il team giapponese ha scoperto che esporli alla corrente alternata, da quelli forniti alle case e alle aziende, genera una potente carica di piezoelettricità. "È come scuotere il cristallo avanti e indietro", spiega Long-Qing Chen, uno scienziato computazionale con sede in Pennsylvania. Un tale cambiamento potrebbe raddoppiare le proprietà piezoelettriche del cristallo, come annunciato dal team giapponese nel 2011.
PMN-PT è solitamente opaco perché singoli gruppi di dipoli diffondono la luce in tutte le direzioni. Utilizzando la corrente alternata, il team ha appiattito i dipoli, quindi ha riscaldato e lucidato il materiale fino a ottenere proprietà trasparenti e piezoelettriche 50 volte più potenti dei tradizionali materiali piezoelettrici trasparenti. Il risultato del lavoro è presentato sulla rivista Nature.
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I piezoelettrici avanzati possono essere utilizzati per realizzare dispositivi di imaging fotoacustici più sensibili che possono aiutare i medici in tutto, dalla rilevazione del cancro al seno e del melanoma al monitoraggio del flusso sanguigno per il trattamento delle malattie vascolari. I ricercatori riferiscono che questo progresso potrebbe anche ispirare gli ingegneri a creare attuatori trasparenti per robotica invisibile e schermi attivati al tatto.
Vasily Makarov
