Co łączy naukowców z Gdańska, Kopenhagi i Santo André? Piezoelektryki

Jak często przydaje się nam w codziennym życiu piezoelektryczność? Okazuje się, że częściej, niż mogłoby się wydawać: zarówno w medycynie, jak również w zegarkach kwarcowych, głośnikach, czy… w zapalniczce kuchennej. Naukowcy Politechniki Gdańskiej pracują nad materiałami piezoelektrycznymi nowej generacji, w których nie trzeba będzie stosować szkodliwego dla środowiska ołowiu.

Jak tłumaczą badacze z Gdańska, koncepcja wykorzystania zjawiska piezoelektryczności jest prosta, ale znalezienie materiałów piezoelektrycznych nieszkodliwych dla środowiska oraz wykazujących duży efekt piezoelektryczny, stanowi przeszkodę od ponad stu lat. Połączyli więc siły z naukowcami z Danii (Technical University of Denmark w Kopenhadze) i Brazylii (UFABC w Santo André – jednej z młodszych i najbardziej nowoczesnych uczelni w kraju), tak żeby wreszcie się z tą przeszkodą uporać.

Na czym polega ich praca? – Nad nowymi nanomateriałami piezoelektrycznymi, wykorzystującymi tzw. efekt elektrostrykcji, które nie będą szkodliwe dla środowiska i będą używane m.in. przy produkcji nowej generacji biozgodnych przetworników ultradźwiękowych – mówi prof. Sebastian Molin z Wydziału Elektroniki Telekomunikacji i Informatyki.

Szeroki zakres zastosowań piezoelektryków

Najpierw teoria: Piezoelektryczność to proces polegający na przekształcaniu energii mechanicznej w elektryczną - lub na odwrót.

A teraz praktyka. Chociaż na co dzień urządzenia piezoelektryczne pozostają w dużej mierze niewidoczne, wykorzystywane są w wielu urządzeniach codziennego użytku: od zapalarek w kuchni, zegarków kwarcowych, po mikrofony i głośniki (również hydrofony - czyli mikrofony nagrywające dźwięki pod wodą). Elementy piezoelektryczne służą też do pomiaru sił i naprężeń w wagach „cyfrowych”, niezwykle popularnych w kuchniach i łazienkach na całym świecie.

– Przydają się również w medycynie – podkreśla prof. Molin. – Konkretnie jako czujniki ultrasonograficzne w badaniach USG. Zakres zastosowań piezoelektryków jest naprawdę ogromny – dodaje.

Ale w czym problem? Dotychczasowe materiały piezoelektryczne stosowane powszechnie zawierają ołów, który jest szkodliwy dla środowiska i który jest stopniowo wycofywany z rynków w Europie i na świecie.

Z drugiej strony - od około 10 lat - znany jest efekt wykazujący podobieństwo do zjawiska opisanej wcześniej piezoelektryczności: tzw. efekt elektrostrykcji. Odkryty w niespodziewanej grupie materiałów (tlenek ceru), wykazywany efekt elektromechaniczny jest znacznie większy od tradycyjnych materiałów. Prof. Sebastian Molin prowadzi zatem badania nad nową generacją materiałów elektrostrykcyjnych, które są:

• bezołowiowe,
• biokompatybilne,
• i powstają na bazie tlenku ceru.

– Zadaniem mojego zespołu jest wytworzenie nowych materiałów na bazie tlenku ceru o określonych właściwościach, natomiast nasi duńscy partnerzy będą badali je pod kątem ich możliwości piezoelektrycznych oraz zastosowania w praktycznych układach generacyjnych. Nasza grupa będzie stosować różne parametry syntezy materiałów, różne domieszki i modelować te materiały, by uzyskać najlepsze efekty.

Stworzenie nowych nanomateriałów na bazie domieszkowanego tlenku ceru, który jest tani i łatwy do pozyskania, otwiera szerokie możliwości zastosowania materiałów piezoelektrycznych m.in. do generacji ultradźwięków - w szczególności do zastosowań medycznych. Narzędzia piezoelektryczne są bowiem coraz częściej stosowane np. w mikrochirurgii.

Ponad pół miliona zł na badania

Badania prowadzone są w ramach międzynarodowego projektu m-era.net. Realizacja przewidziana jest na trzy lata. Projekt otrzymał dofinansowanie w wysokości 617 tys. zł. M-ERA.NET to sieć 49 organizacji z 35 krajów europejskich wspierających badania w obszarze inżynierii materiałowej. Polskę reprezentują w niej NCN i NCBiR. W konkursie M.ERA-NET 3 Call 2022 projekt prof. Sebastiana Moilna pn. „Zdefektowane tlenki metali - nowa generacja bezołowiowych materiałów piezoelektrycznych dla przetworników ultradźwiękowych” znalazł się na 1. miejscu na liście rankingowej oraz otrzymał dofinansowanie w wysokości 617 tysięcy złotych.