موضوع مقاله: پیزوالکتریکی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # پیزوالکتریکی | مقدمه: یکی از ویژگی‌های غیرمعمولی که برخی سرامیک‌ها و پلیمر‌ها از خود نشان می‌دهند، پدیدهٔ پی‌اِیزوالکتریک یا اثر فشاربرقی است. | ## بخش 1: پیزوالکتریکی | با اعمال نیروی خارجی، دوقطبی‌های این سرامیک‌ها تحریک می‌شوند و میدان الکتریکی ایجاد می‌شود. 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 فوق صوت و حسگرهای سونار از خاصیّت پیزوالکتریک استفاده می‌کنند. در پیکاپ گرامافون همچنان که قلم شیارهای رکورد را می‌پیماید یک اختلاف فشار به مادهٔ پیزوالکتریک موجود در پیکاپ وارد می‌شود که نهایتاً به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود. رفتار پیزوالکتریک یک پلی‌کریستال به‌وسیلهٔ گرم کردن بالاتر از دمای پخت و سپس خنک کردن تا دمای اتاق در مجاورت میدان الکتریکی قوی بهبود می‌یابد. اثر پیزوالکتریک توانایی برخی مواد برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی می‌باشد. 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 هریک از این بلورها را به اختلاف پتانسیل متناوب الکتریکی وصل کنیم، تغییر شکل متناوبی در آن رخ می‌دهد و به ارتعاش در می‌آید. مقدمه پیزوالکتریک بار الکتریکی‌ای است که در مواد جامد مشخصی به علت فشار مکانیکی انباشته می‌شود (به ویژه در کریستال‌ها، بعضی سرامیک‌ها و مواد آلی مانند استخوان، DNA و پروتئین‌های مختلف). واژه پیزوالکتریک یعنی الکتریسیتهٔ ناشی از فشار که از لغت یونانی پیزو به معنای فشردن و الکترون به معنی کهربا (اولین مشاهدات مربوط به الکتریسیته مربوط به خاصیت باردار شدن کهربا در اثر مالش با سایر مواد بوده‌است و به همین دلیل مدت‌ها بعد جورج استونی واحد سازنده برق را الکترون نامید) برگرفته شده‌است. اثر پیزوالکتریک از ارتباط خطی بین حالت مکانیکی و الکتریکی در مواد بلورین و شفاف بدون تقارن مرکزی درک می‌شود. اثر پیزوالکتریک یک فرایند برگشت‌پذیر است؛ موادی که به‌طور مستقیم اثر پیزوالکتریک (تولید داخلی بار الکتریکی به دلیل اعمال نیروی مکانیکی) را انباشته می‌کنند اثر پیزوالکتریک معکوس (تولید داخلی نیروی مکانیکی در اثر اعمال میدان الکتریکی) را نیز انباشته می‌کنند. 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 الکترونیکی، میکروبالانس‌ها (ترازوهای بسیار دقیق) و متمرکز کردن پرتوهای 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. آن‌ها دانششان را از پیروالکتریک با درکشان از ساختار کریستالی اساسی ترکیب کردند که منجر به پیش‌بینی رفتار کریستال‌ها شد و اثبات کردند کریستال‌های ترمالین، کوارتز، زبرجد هندی، نیشکر و پتاسیم سدیم تارترات (نمک راشل) خاصیت پیزوالکتریک دارند. کیوری‌ها بلافاصله وجود اثر معکوس را تأیید کردند و به تحقیقات خود ادامه دادند تا اثبات کامل تغییر شکل الکتریکی-الاستیکی-مکانیکی سرامیک‌های پیزوالکتریک را به‌دست‌آورد. جنگ جهانی اول و پس از آن اولین استفادهٔ عملی از دستگاه‌های پیزوالکتریک، سونار (دستگاه کاشف زیردریایی به وسیلهٔ 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 که از کریستال‌های نازک کوارتز که با دقت بین دو صفحهٔ نازک فولاد 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. استفادهٔ موفقیت‌آمیز پیزوالکتریک در سونار موجب شد علاقهٔ فزاینده‌ای در توسعهٔ دستگاه‌های پیزوالکتریک ایجاد شود. پیشرفت مبدل‌های ماوراء صوت موجب شد سنجش گران‌روی (ویسکوزیته) و کشسانی در مایعات و جامدات آسان‌تر شود که نتیجهٔ 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 متحدهٔ آمریکا، روسیه و ژاپن دستهٔ جدیدی از مواد ساخت بشر را کشف کردند که فروالکتریک نام‌گذاری شد و خیلی بیش‌تر از مواد طبیعی پیزوالکتریک را ذخیره می‌کردند و موجب علاقه‌ای وافر در توسعهٔ تیتانات باریم و بعدها ZrTiO3 با ویژگی‌هایی منحصربفرد شد. به دنبال جنگ جهانی اول فردریک بر روی تلفن بیسیم در دانشکدهٔ مهندسی مشغول به کار بود که باعث توسعهٔ کریستال “AT cut” شد. با استفاده از رادیو در صنعت، هواپیماها می‌توانستند حملات دسته جمعی هماهنگ انجام دهند. | ## بخش 2: پیزوالکتریکی | 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 فرایند 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 تولیدکننده‌های 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 استفادهٔ تجاری در کنترل‌های تلویزیون بود. امروزه این مبدل‌ها بر روی انواع مختلف ماشین‌ها به عنوان ردیاب کاربرد دارند و به راننده کمک می‌کنند فاصلهٔ عقب ماشین تا اجسامی که در سر راه آن قرار دارد را بفهمد. سازوکار و ساختمان ذات اثر پیزوالکتریک به دوقطبی‌های الکتریکی لحظه‌ای در جامدات مربوط می‌شود. سطح خارجی ممکن است در شبکهٔ کریستالی با بار نامتقارن محیطی تحریک شده باشد (از جمله درBaTiO۳ و PZTها) 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). این قلمروها معمولاً تصادفی جهت‌دار می‌شوند اما می‌توانند توسط فرایند قطبی‌سازی (با قطبی‌سازی مغناطیسی متفاوت است) هم‌جهت شوند، فرایندی که یک میدان الکتریکی قوی (معمولاً در دماهای بالا) به جسم اعمال می‌شود. نکتهٔ قطعی در مورد اثر پیزوالکتریک تغییر قطبش هنگام اعمال فشار مکانیکی است که ممکن است به علت ایجاد آرایش فضایی جدید دوقطبی‌ها 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: جهت‌گیری دوقطبی‌ها درون کریستال تقارن کریستال 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 نمی‌شود، 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. 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 پیزوالکتریک را ذخیره می‌کنند. از طرف دیگر کریستال‌های پیزوالکتریک غیرقطبی در اثر ایجاد دو قطبی فقط بر اثر اعمال فشار مکانیکی به وجود می‌آید. کریستال‌های ذاتی برلینیتBerlinite (AlPO۴) یک فسفات معدنی کمیاب که از نظر ساختمانی مشابه کوارتز است نیشکر کوارتز نمک راشل زبرجد هندی مواد معدنی گروه تورمالین 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 مادهٔ 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. 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 استفادهٔ 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 دههٔ ۱۹۹۰ معادلهٔ ریاضی را فراهم نمود که شباهت انتشار موج استخوان‌های بلند را همانند کریستال‌های شش گوشه (کلاس ۶) تأیید می‌کرد. افزایش این نگرانی‌ها تأکید بر توسعهٔ کامپوزیتی مواد پیزوالکتریک بدون سرب می‌باشد. برخلاف سرامیک‌ها، که در آن ساختار کریستالی ماده به وجود آورندهٔ اثر پیزوالکتریک است، در پلیمرها مولکول‌های زنجیرهٔ بلند مزدوج هنگامی که در محدودهٔ یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند یکدیگر را جذب و دفع می‌کنند. 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. | ## بخش 3: پیزوالکتریکی | تحقیقات مشابهی نیز توسط دارپا در ایالات متحده صورت گرفته که پروژهٔ آن زراعت انرژی نام گرفته‌است. این پروژه شامل بر فعالیت‌هایی بود که تجهیزات زمین جنگ از طریق ژنراتور‌های پیزوالکتریک جای گرفته در چکمهٔ سربازان باردار شود. 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 کرده‌است، متوقف گشت. برخلاف یک مبدل معمولی که از جفت‌شدن مغناطیسی بین ورودی و خروجی بهره می‌گیرد، مبدل پیزوالکتریک از جفت‌شدن صوتی استفاده می‌کند. این ابزارها می‌توانند در تبدیل‌های ای‌سی-دی‌سی برای به کار انداختن لامپ‌های فلورسنت با کاتد سرد به کار گرفته شوند. حسگرها اصل مورد بحث در به‌کارگیری 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، یا گیرنده‌های پیزوالکتریک در گیتارهای الکتریکی. حسگر پیزوالکتریک که به بدنهٔ یک آلت (موسیقی) متصل شده باشد را میکروفن اتصال می‌خوانند. حسگرهای پیزوالکتریک به‌طور ویژه توأم با صداهای با فرکانس بالا در مبدل‌های مافوق صوت جهت عکسبرداری‌های پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. پیزوالکتریک در نانو بنا به تحقیقی منتشرشده در آوریل و مارس سال ۲۰۰۹ میلادی در دانشگاه ام‌آی‌تی، ژونگ لینگ ونگ فکر می‌کند که سیم‌های پیزوالکتریک نانو می‌توانند به وسایل پزشکی گذاشته شده در بدن نیرو برساند و به عنوان حسگرهای کوچک عمل کنند. آن‌ها می‌توانند در شناسایی علائم مولکولی بیماری در خون، مقادیر جزئی گازهای سمی در جو و آلودگی‌ها در غذا مورد استفاده قرار گیرند. هدف ونگ، نیرو بخشیدن به دنیای نانو توسط مولدهای کوچکی که از پیزوالکتریک بهره می‌برند است. اگر او موفق شود، نانو حسگرهای زیستی و شیمیایی قادر خواهند بود به خودشان نیرو ببخشند. ونگ برای اولین بار در سال ۲۰۰۵ این پدیده را در مقیاس نانو با خم کردن اکسید روی توسط پایهٔ میکروسکوپ اتمی نشان داد. هنگامی که سیم خم می‌شود و به حالت اولیه برمی‌گردد پتانسیل تولید شده توسط یون‌های اکسیژن و روی جریان الکتریکی به وجود می‌آورند. اما ونگ مطمئن بود که با علم مهندسی و با مهار کردن لرزه‌های کوچک اطرافمان یک نانو منبع انرژی طراحی کند از جمله امواج صدا، باد و تلاطم گردش خون بر روی وسیلهٔ کار گذاشته شده در بدن. این حرکات کوچک موجب خم شدن نانو سیم‌ها می‌شود که به تولید جریان الکتریکی می‌انجامد. در این صورت یک پیراهن می‌تواند انرژی لازم را برای شارژ شدن باتری وسایلی مثل آی‌پاد تأمین کند. 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 پیزو الکترونیک ترکیب شده با نانو مولد از رشته‌ای از نانو سیم‌ها استفاده می‌کند که هر کدام تنظیم شده‌است در محدودهٔ 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 نانو پیزو الکترونیک 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. ونگ pH و حسگرهای اشعهٔ UV را با این وسایل ملحق کرد و نشان داد که وقتی تحت فشار قرار بگیرند می‌توانند به حسگر نیرو بدهند. وسایلی که انرژی هدر رفته را ذخیره می‌کنند و امکانات جدیدی را به ارمغان می‌آورند مثل لباس‌هایی که با حرکات بدن وسایل الکترونیکی را شارژ می‌کنند از مواردی است که در شاخهٔ نانوپیزوالکتریک دنبال می‌شود. هم‌اکنون محققان اولین مولدها را که بر پایهٔ نانو سیم‌ها کار می‌کنند تولید کرده‌اند که انرژی مکانیکی لازم را برای نیرو رساندن به وسایل الکترونیکی کوچک مثل دیودها و صفحهٔ نمایش کریستال مایع ذخیره می‌کنند. پیزوالکتریک‌ها قبلاً در میکروفن‌ها، حسگرها، ساعت‌ها و… استفاده شده‌اند اما تلاش برای ذخیرهٔ انرژی بیومکانیکی توسط آن‌ها بی‌نتیجه مانده‌است زیرا آن‌ها بیش از اندازه سفت‌اند. | ## جمع‌بندی | بلندگوی پیزوالکتریک معادلات تشکیل دهنده معادله تشکیل دهنده مواد پیزوالکتریک به صورت زیر تعریف می‌شود: که در معادله فوق و D به ترتیب، تنش مکانیکی و جابجایی الکتریکی هستند و ماتریس‌های Q, e، به ترتیب ضریب پیزوالکتریکی، مدول الاستیسیته و گذردهی الکتریکی هستند.