חוקרים פותרים אתגר חומר פיאזואלקטרי ארוך שנים

טכניקה חדשה שפותחה על ידי חוקרים מאפשרת שחזור של תכונות חיוניות בחומרים פיזואלקטריים בטמפרטורת החדר, מייעלת תיקונים והארכת תוחלת החיים של מכשירי אולטרסאונד וסונאר.

חום ולחץ יכולים לפגוע בתכונותיהם של חומרים פיזואלקטריים החיוניים לטכנולוגיות אולטרסאונד וסונאר מתקדמות. באופן מסורתי, תיקון הנזק הזה היה כרוך בפירוק המכשירים וחשיפת החומרים לטמפרטורות גבוהות עוד יותר. כעת, חוקרים פיתחו טכניקה לשחזור תכונות אלו בטמפרטורת החדר, לפשט את תהליך התיקון ולסלול את הדרך לטכנולוגיות אולטרסאונד חדשות.

לחומרים פיאזואלקטריים יש יישומים רבים, כולל טכנולוגיות סונאר והתקנים היוצרים וחשים גלי אולטרסאונד. אבל כדי שמכשירים אלה יפיקו ביעילות גלי סונאר או אולטרסאונד, החומר צריך להיות "מקוטב".

הסיבה לכך היא שהחומרים הפיאזואלקטריים המשמשים ליישומי סונאר ואולטרסאונד הם בעיקר פרו-אלקטריים. וכמו כל החומרים הפרו-אלקטריים, הם מציגים תופעה הנקראת קיטוב ספונטני. זה אומר שהם מכילים זוגות של יונים בעלי מטען חיובי ושלילי הנקראים דיפולים. כאשר חומר פרו-אלקטרי הוא קוטב, זה אומר שכל הדיפולים שלו נמשכו ליישור עם שדה חשמלי חיצוני. במילים אחרות, הדיפולים כולם מכוונים באותו כיוון, מה שהופך את התכונות הפיאזואלקטריות שלהם לבולטות יותר.

אתגרים בשמירה על יישור חומר

"אם הדיפולים האלה לא מיושרים, קשה ליצור גלי אולטרסאונד ממוקדים עם המשרעת הדרושה כדי שהם יהיו מעשיים", אומר שיאונינג ג'יאנג, מחבר מקביל של מאמר על העבודה ופרופסור מכובד למכני ותעופה וחלל. הנדסה ב אוניברסיטת צפון קרולינה סטייט.

"שימור הקוטב של חומרים פיזואלקטריים-פרואלקטריים מציב כמה אתגרים משמעותיים, מכיוון שהדיפולים יכולים להתחיל לאבד את היישור שלהם כאשר הם נחשפים לטמפרטורות גבוהות או ללחצים גבוהים", אומר ג'יאנג.

"זו גם בעיית ייצור, מכיוון שהיא מגבילה באילו חומרים ותהליכים אחרים אתה יכול להשתמש בעת יצירת מכשירי אולטרסאונד", אומר ג'יאנג. "ומכיוון שהטמפרטורות המוגברות אפילו לא ממש גבוהות – אתה יכול לראות בעיות יישור עד 70 מעלות צֶלסִיוּס – אפילו שילוח או אחסון של טכנולוגיות אלו עלולים לפעמים להשפיע לרעה על העמוד והיעילות של המכשירים.

"יתרה מכך, שימוש ממושך בטכנולוגיות מסוימות עלול לגרום לכך שהמכשיר עצמו מייצר חום המסכן בפיזור החומר הפיאזואלקטרי-פרו-אלקטרי".

וברגע שהדיפולים בחומר יצאו מישור, להחזיר אותם ליישור זה לא קל. יש להסיר את החומר הפיאזואלקטרי-פרואלקטרי מהמכשיר ולחשוף אותו לחום גבוה – 300 מעלות צלזיוס או יותר – על מנת לנקות לחלוטין את החומר לפני "היפוך מחדש" שלו ומשיכת הדיפולים חזרה ליישור.

"חשוב לעשות שימוש חוזר בחומרים פיאזואלקטריים-פרואלקטריים אלה מכיוון שהם בדרך כלל יקרים – אתה לא רוצה פשוט לזרוק אותם", אומר ג'יאנג. "אבל לעתים קרובות החומר מוחזר ושאר מכשיר האולטרסאונד מושלכים.

"פיתחנו טכניקה המאפשרת לנו לנקות ולשחרר מחדש חומרים פיזואלקטריים-פרואלקטריים בטמפרטורת החדר. זה אומר שאנחנו יכולים למשוך את הדיפולים בחזרה ליישור מבלי להסיר את החומר מהמכשיר – וזה יכול להיעשות שוב ושוב, לפי הצורך."

הבנת הטכניקה החדשה

כדי להבין את הטכניקה החדשה, אתה צריך להבין שיש שתי דרכים למשוך את הדיפולים בחומר פיזואלקטרי-פרואלקטרי ליישור. הטכניקה הנפוצה ביותר כוללת הפעלת שדה חשמלי של זרם ישר (DC) על החומר, המושך את כל הדיפולים לאותו כיוון.

"דרך זו עובדת היטב ליצירת יישור, אבל זה כמעט בלתי אפשרי לנקות את החומר באמצעות שדה DC בלבד", אמר ג'יאנג.

הטכניקה האחרת כוללת הפעלת שדה חשמלי של זרם חילופין (AC) על החומר, הגורם לתנודות הדיפולים בתגובה לגלים בשדה, עד להסרת השדה, ובשלב זה הדיפולים ננעלים במקומם ביישור.

"מצאנו שאנחנו יכולים גם לנקות את החומר באמצעות שדה AC, אפילו בטמפרטורת החדר. אם החומר היה קוטב במקור באמצעות שדה DC, נוכל להסיר חלק גדול מהקוטב עם שדה AC – אבל לא את כולו", אמר ג'יאנג. "עם זאת, אם החומר היה קוטב במקור עם שדה AC, מצאנו שהוא יכול גם להסיר לחלוטין את החומר באמצעות שדה AC."

לממצא יש לפחות שתי השלכות משמעותיות עבור טכנולוגיות אולטרסאונד.

"אם נוכל לקט חומרים פיזואלקטריים-פרואלקטריים בטמפרטורת החדר, זה אומר שנוכל לשנות את החומרים ותהליכי הייצור האחרים שבהם אנו משתמשים בעת יצירת מכשירי אולטרסאונד כדי לייעל את הביצועים שלהם", אומר ג'יאנג. "אנחנו כבר לא מוגבלים לחומרים ולתהליכים שלא ישפיעו על הקיטוב ברכיבים פיזואלקטריים-פרואלקטריים, כי אנחנו יכולים לקטב את החומר באמצעות שדה AC לאחר הרכבת המכשיר.

"יתר מכך, זה אומר שאנחנו יכולים בקלות מחדש את החומרים במכשירים קיימים, בתקווה לתת לנו חיים ארוכים של ביצועי שיא עבור הטכנולוגיות הללו."

עבודה זו נעשתה בתמיכת משרד המחקר הימי, במסגרת מענק N00014-21-1-2058; הקרן הלאומית למדע, במסגרת מענקים 2011978, 2309184 ו-2133373; ומהמעבדה הלאומית של משרד האנרגיה האמריקאי לורנס ליברמור תחת חוזה DE-AC52-07NA27344.