Una nueva clase de Piezoeléctricos Anexo grandes deformaciones

En la edición de hoy de Nature, Huaxiang Fu y Ronald Cohen, de la Institución Carnegie de Washington escribe que una nueva clase de materiales va a revolucionar las aplicaciones acústicas, incluyendo imágenes médicas, el sonar naval e hidrófonos.

Estos materiales piezoeléctricos fueron descubiertas recientemente utilizando técnicas convencionales de experimentación, pero el origen de la unión mucho más fuerte de los materiales electromecánicos de la generación anterior era desconocida.

El doctor Ronald Cohen es un miembro del personal y Huaxiang Fu es un investigador asociado en el Laboratorio Geofísico de la Carnegie Institution de Washington.

Fu y Cohen desarrollaron un modelo y realizar cálculos de primeros principios (que utilizan cantidades físicas sólo fundamentales, tales como cargas nucleares, en lugar de los datos experimentales) que ahora explicar el origen del comportamiento de estos materiales.

Piezoeléctricos se utilizan para convertir las ondas sonoras en señales eléctricas y viceversa. El material recién descubierto (monocristales de PMN-PT y PT-PZN) tiene diez veces el efecto de las sustancias anteriores. Al entender el origen del efecto observado gigante, que ahora será más fácil de mejorar estos materiales, o descubrir otros con constantes de acoplamiento aún mayor.

En un trabajo financiado por la Oficina de Investigación Naval, Fu y Cohen simulado el titanato de bario, el material más simple (BaTiO3) en diferentes campos eléctricos. Los científicos encontraron que las cepas de gran tamaño puede ser inducida por campos eléctricos debido a la rotación de la polarización eléctrica en un solo cristal.

Normalmente, los campos se aplican a lo largo de la dirección de polarización y producir respuestas pequeña cepa. Sin embargo, Fu y Cohen encontró que la aplicación de un campo de forma oblicua a la dirección de polarización conduce a cepas mucho más grande. También se explica en su artículo cómo desarrollar estas cepas.

En los materiales de cristal único nuevo, las tensiones producidas por un pequeño campo puede llegar tan grande como un par por ciento. Cómo fue posible que no estaba claro hasta que Fu y la obra de Cohen.

Enfoque de fu y de Cohen de usar la computadora y la física fundamental para predecir el comportamiento de los materiales es relativamente nueva para la ciencia de materiales. Este tipo de estudios puede dar ideas no se pueden obtener mediante un experimento, ya que el teórico puede examinar las diferentes causas de la conducta directamente, en lugar de deducir el origen de un comportamiento indirectamente.

La teoría de los materiales es, pues, complementarios a los estudios experimentales, que por lo general nos dicen "qué" pero no "por qué". Esta rama de la teoría computacional es también distinto de los modelos fenomenológicos y parámetros, en la que hay entrada de los datos experimentales es necesario. La teoría es lo que utiliza para comprender las observaciones experimentales y para hacer predicciones que ayudan a los estudios de guía experimental.

El modelo de los nuevos materiales se puede entender más claramente al considerar la PbTiO3 clásico ferroeléctricos, que tiene una red de gran tensión. Se trata de un 6% más en una dirección que en los otros dos, es tetragonal. El efecto piezoeléctrico es muy pequeña, sin embargo.

BaTiO3 tiene una tensión mucho menor (1%) y tiene una estructura a baja temperatura, casi sin esfuerzo (llamado romboédrico). Si uno pudiera hacer PbTiO3 romboédricos, y mediante la aplicación de un campo pequeño que sea tetragonal, se obtendría un enorme efecto piezoeléctrico.

Esto es parecido a lo que está sucediendo en el nuevo PZN-PT y materiales PMN-PT. Ellos son romboédricos en cero el campo eléctrico, y son como "PbTiO3 romboédricos." La implicación de este cuadro es que otros materiales se puede descubrir que las cepas aún mayor (6% o más grandes, como PbTiO3) que los nuevos materiales PMN-PT y PT-PZN, con menos del 2% de deformación (que sigue siendo enorme por normas anteriores).

Los nuevos materiales que forman el elemento activo en las futuras generaciones de los transductores. Un transductor es utilizado para detectar o generar ondas acústicas, como las que utiliza médicamente en la ecografía, o en aplicaciones navales como el sonar, la detección de minas, y los hidrófonos.

Los materiales piezoeléctricos nuevo mejorará en gran medida de la sensibilidad, el rango y la resolución de estos dispositivos para que algún día, los médicos serán capaces de mirar en el cuerpo con una resolución tan alta que algunas cirugías exploratorias, no será necesario y buques de guerra serán capaces de ver más lejos y más claramente bajo el agua.

(Nota del Editor: Para más información, figuras e imágenes en color están disponibles en .

(Otros científicos involucrados en la investigación experimental similar son Tom Shrout , Park Águila y Cruz Eric , todos de Penn State y Takeshi Egami de la Universidad de Pennsylvania.

(Los científicos involucrados en el trabajo teórico similar son David Vanderbilt en Rutgers y Karin Rabe de Yale ).

[Contacto: Ronald Cohen ]

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