اثر فشاربرقی

یکی از ویژگی‌های غیرمعمولی که برخی سرامیک‌ها از خود بروز می‌دهند، پدیده پیزوالکتریک یا اثر فشاربرقی است. با اعمال نیروی خارجی، دوقطبی‌های این سرامیک‌ها تحریک می‌شوند و میدان الکتریکی ایجاد می‌شود. وارونه کردن اثر نیرو (مثلا از کششی به فشاری) جهت میدان را معکوس می‌کند.
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 ماوراء صوت و حسگرهای سونار از خاصیت پیزوالکتریک استفاده می‌کنند. در پیکاپ گرامافون همچنان که قلم شیارهای رکورد را می‌پیماید یک اختلاف فشار به ماده پیزوالکتریک موجود در پیکاپ وارد می‌شود که نهایتا به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود. این سیگنال قبل از ورود به بلندگو تقویت می‌شود. خاصیت پیزوالکتریک یک ویژگی مواد کریستالی دارای ساختار پیچیده بدون تقارن است. رفتار پیزوالکتریک یک پلی‌کریستال بوسیله گرم کردن بالاتر از دمای کوری و سپس خنک کردن تا دمای اتاق در مجاورت میدان الکتریکی قوی بهبود می‌یابد.
اثر پیزوالکتریک توانایی برخی مواد می‌باشد برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی. این اثر را برادران کوری، پیر و ژاک کوری، در دهه ۱۸۸۰ کشف کردند. موادی که این پدیده را از خود بروز می‌دهند مواد پیزوالکتریک نامیده می‌شوند. 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 هر یک 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 الکتریسیته 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.
به عنوان مثال سرامیک‌های PZT (PbZrxTi1-xO۳ ۰≤x≤۱) اگر به اندازه ۰٫۱ درصد از ابعادشان تغییر شکل دهند نیروی پیزوالکتریک قابل اندازه‌گیری تولید خواهند کرد. 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.
تاریخچه
اکتشاف و پژوهش‌های اولیه
اثر پیزوالکتریک (تولید پتانسیل الکتریکی در پاسخ به دما) در اواسط قرن هجدهم توسط کارل لینائوس و فرنز آپینوس مطالعه شد و با الهام از این موضوع رنه جاست هاووی و آنتونی سزار بکورل ادعا کردند بین فشار مکانیکی و بار الکتریکی رابطه‌ای وجود دارد گرچه آزمایش‌های آن‌ها نتیجه قاطعی نداد.
اولین اثبات تجربی اثر پیزوالکتریک در سال ۱۸۸۰ توسط برادران پیری کیوری و جکوئیز کیوری انجام شد. آن‌ها دانششان را از پیزوالکتریک 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. کوارتز و نمک راشل بیش‌ترین پیزوالکتریک را در خود انباشته می‌کنند. کیوری‌ها اثر پیزوالکتریک معکوس را پیش‌بینی نکردند، اثر معکوس با روابط ریاضی توسط گابریل لیپمان در سال ۱۸۸۱ از قوانین ترمودینامیک نتیجه شد. کیوری‌ها بلافاصله وجود اثر معکوس را تایید کردند و به تحقیقات خود ادامه دادند تا اثبات کامل تغییر شکل الکتریکی-الاستیکی-مکانیکی سرامیک‌های پیزوالکتریک را بدست آورد.
در چند ده بعد، پیزوالکتریک یک پدیده کمیاب آزمایشگاهی باقی ماند. کارهای بیش‌تری برای تعریف ساختار کریستال‌هایی که پیزوالکتریک را در خود ذخیره می‌کنند انجام شد که در سال ۱۹۱۰ با انتشار کتابی با موضوع فیزیک کریستال‌ها به اوج خود رسید که ۲۰ دسته کریستال طبیعی را که قابلیت ذخیره پیزوالکتریک داشتند، شرح داد و ثابت‌های پیزوالکتریک را با دقت زیاد توسط تحلیل‌ها و آمارهای کششی بدست آورد.
جنگ جهانی اول و پس از آن
اولین استفاده عملی از دستگاه‌های پیزوالکتریک، سونار (دستگاه کاشف زیردریایی بوسیله 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 ساخته شده بود که از کریستال‌های نازک کوارتز که با دقت بین دو صفحه 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.
استفاده موفقیت‌آمیز پیزوالکتریک در سونار موجب شد علاقه فزاینده‌ای در توسعه دستگاه‌های پیزوالکتریک ایجاد شود. در چند دهه بعد، مواد و کاربردهایی جدیدی از پیزوالکتریک کشف شد.
دستگاه‌های پیزوالکتریک در بسیاری از زمینه‌ها جا باز کردند. دستگاه ضبط صدای سرامیکی هم ارزان و هم دقیق بود و آسان‌تر ساخته می‌شد. پیشرفت مبدل‌های ماوراء صوت موجب شد سنجش گران‌روی (ویسکوزیته) و کشسانی در مایعات و جامدات آسان‌تر شود که نتیجه 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 متحده آمریکا، روسیه و ژاپن دسته 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 توسعه تیتانات باریم و بعدها ZrTiO3 با ویژگی‌هایی منحصربفرد شد.
یک نمونه مهم کاربرد پیزوالکتریک توسط آزمایشگاه‌های تلفن بل توسعه یافت. به دنبال جنگ جهانی اول فردریک بر روی تلفن بیسیم در دانشکده مهندسی مشغول به کار بود که باعث توسعه کریستال “AT cut” شد. کریستالی که در محدوده دمایی وسیعی مورد استفاده قرار می‌گرفت. این به لوازم فرعی سنگینی که کریستال قبلی نیاز داشت، نیاز نداشت. نتیجه آن تسهیل استفاده در صنایع هوایی بود. با استفاده از رادیو در صنعت، هواپیماها می‌توانستند حملات دسته جمعی هماهنگ انجام دهند.
پیشرفت دستگاه‌های پیزوالکتریک و علم مواد منحصرا 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 مستقیما 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 استفاده تجاری در کنترل‌های تلویزیون بود. امروزه این مبدل‌ها بر روی انواع مختلف ماشین‌ها به عنوان ردیاب کاربرد دارند و به راننده کمک می‌کنند فاصله 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 شبکه کریستالی با بار نامتقارن محیطی تحریک شده باشد (از جمله درBaTiO۳ و PZTها) یا ممکن است مستقیما توسط گروه‌های مولکولی حمل شود (به عنوان مثال در نیشکر). چگالی دوقطبی یا پلاریزاسیون 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). دوقطبی‌های نزدیک هم در مناطقی به نام قلمرو ویس جهت‌گیری می‌کنند. این قلمروها معمولا تصادفی جهت‌دار می‌شوند اما می‌توانند توسط فرایند قطبی‌سازی (با قطبی‌سازی مغناطیسی متفاوت است) هم‌جهت شوند، فرایندی که یک میدان الکتریکی قوی (معمولا در دماهای بالا) به جسم اعمال می‌شود. تمام مواد پیزوالکتریک قطبی نمی‌شوند.
نکته 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 = . 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.
خاصیت پیزوالکتریک اثر ترکیب شده رفتار الکتریکی ماده است.
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. اگر دوقطبی لحظه‌ای توسط میدان الکتریکی معکوس شود به آن ماده فروالکتریک گویند.
کلاس‌های کریستالی قطبی: ۱، ۲، m, mm2, 4, 4 mm, 3, 3m, 6, 6 mm.
کلاس‌های کریستالی پیزوالکتریک: ۱، ۲، m, 222, mm2, 4, 4, 422, 4 mm, 42m, 3, 32, 3m, 6, 6, 622, 6 mm, 62m, 23, 43m.
کریستال‌های قطبی بدون اعمال فشار مکانیکی نیز قطبی هستند. اثر پیزوالکتریک خود به خود بر اثر قدرت یا جهت قطبش یا هر دو آشکار می‌شود. از طرف دیگر کریستال‌های پیزوالکتریک غیرقطبی در اثر ایجاد دو قطبی فقط بر اثر اعمال فشار مکانیکی به وجود می‌آید. در این کریستال‌ها، تنش کریستال را از گروه غیرقطبی به گروه قطبی تبدیل می‌کند.
مواد
بسیاری مواد چه طبیعی چه ساخته دست بشر پیزوالکتریک را ذخیره می‌کنند.
کریستال‌های ذاتی
برلینیت (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 ماده 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.
اثر پیزوالکتریک عموما به عنوان یک حسگر نیروی بیولوژیکی عمل می‌کند. 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 استفاده 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 دهه ۱۹۹۰ معادله ریاضی را فراهم نمود که شباهت انتشار موج استخوان‌های بلند را همانند کریستال‌های شش گوشه (کلاس ۶) تایید می‌کرد.
تاندون
ابریشم
چوب (به علت تار و پود پیزوالکتریک آن)
مینای دندان
عاج دندان
کریستال‌های دست‌ساز
گالیم ارتوفسفاته (GaPO۴) کریستالی مشابه کوارتز
لانگاسیت (La3Ga5SiO۱۴)، کریستالی مشابه کوارتز
سرامیک‌های دست‌ساز
خانواده سرامیک‌های دارای ساختارهای پروسکایت یا تنگستن- برنز، خواص پیزوالکتریک از خود نشان می‌دهند:
تیتانات باریم (BaTiO۳)—(اولین سرامیک پیزوالکتریک کشف شده)
سرب تیتانات (PbTiO۳)
تیتانات زیرکونات سرب (PbZrxTi۱−xO۳ ۰≤x≤۱
نیوبات پتاسیوم (KNbO۳)
نیوبات لیتیم (LiNbO۳)
لیتیم تانتالات (LiTaO۳)
سدیم تنگستات (Na2WO۳)
Ba2NaNb5O۵
Pb2KNb5O۱۵
پیزوسرامیک‌های بدون سرب
اخیرا نگرانی‌ها در خصوص سمی بودن دستگاه‌ها و اجزای حاوی سرب افزایش یافته و در این خصوص استفاده از قوانین و مقررات محدودکننده مواد خطرناک را مطرح ساخته‌است. افزایش این نگرانی‌ها تاکید بر توسعه کامپوزیتی مواد پیزوالکتریک بدون سرب می‌باشد.
نیوبات پتاسیوم سدیم (NaKNb)
بیسموت فریت (BiFeO۳)
نیوبات سدیم NaNbO۳
تاکنون، نه اثر محیطی این مواد تایید شده و نه پایداری این مواد به هنگام تهیه آن‌ها.
پلیمرها
PVDF خاصیت پیزوالکتریک را چندین بار بیش‌تر از کوارتز نشان می‌دهد. بر خلاف سرامیک‌ها، که در آن ساختار کریستالی ماده به وجود آورنده اثر پیزوالکتریک است، در پلیمرها مولکول‌های زنجیره بلند مزدوج هنگامی که در محدوده یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند یکدیگر را جذب و دفع می‌کنند.
کاربردها
امروزه کریستال‌های پیزوالکتریک کاربردهای متعدد و بسیاری دارند از جمله:
منابع با ولتاژ و توان بالا
همان‌گونه که پیش از این اشاره گردید، پیزوالکتریسیته مستقیم برخی مواد مانند کوارتزها می‌توان تفاوت‌های فراوانی را در میزان ولتاژ ایجاد نماید.
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. در حال حاضر بسیاری از جرقه‌زن‌های قابل حمل مبتنی بر این فناوری ساخته می‌شوند.
تحقیقات مشابهی نیز توسط دارپا در ایالات متحده صورت گرفته که پروژه آن زراعت انرژی نام گرفته‌است. این پروژه شامل بر فعالیت‌هایی بود که تجهیزات زمین جنگ از طریق ژنراتورهای پیزوالکتریک جای گرفته در چکمه سربازان باردار شود. با این حال، این منابع زراعت انرژی در مجموع آثاری بر روی بدن سربازان دارند. 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.
مبدل پیزوالکتریک نوعی چندراهه با ولتاژ متناوب می‌باشد. 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 بدنه یک آلت (موسیقی) متصل شده باشد را میکروفن اتصال می‌خوانند.
حسگرهای پیزوالکتریک به‌طور ویژه توام 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.
نانو حسگرها به شدت حساس، کم مصرف و البته بسیار کوچکند. آن‌ها می‌توانند در شناسایی علائم مولکولی بیماری در خون، مقادیر جزیی گازهای سمی در جو و آلودگی‌ها در غذا مورد استفاده قرار گیرند. اما منابع انرژی و مدارهای لازم برای فعال‌سازی این وسایل کوچک ساخته شدن آن‌ها را دشوار می‌کند. 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 پایه 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. جریانی که او از نخستین آزمایش بدست آورد اندک بود. پتانسیل الکتریکی حداکثر به چند میلی ولت می‌رسید. 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 وسیله کار گذاشته شده در بدن. این حرکات کوچک موجب خم شدن نانو سیم‌ها می‌شود که به تولید جریان الکتریکی می‌انجامد.
ونگ نانو سیم اکسید روی را در یک لایه پلیمر جاسازی کرد. هنگامی که ورقه خم شد mv۵۰ اختلاف پتانسیل تولید شد. این گامی بزرگ در راستای نیرو بخشیدن به نانو حسگرهاست. او امیدوار است نهایتا این مولدها در تار و پود لباس بافته شود. در این صورت یک پیراهن می‌تواند انرژی لازم را برای شارژ شدن باتری وسایلی مثل آی‌پاد تامین 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 پیزوالکترونیک ترکیب شده با نانو مولد از رشته‌ای از نانو سیم‌ها استفاده می‌کند که هر کدام تنظیم شده‌است در محدوده 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 مستقیما می‌توانند به نرون‌های مغز فرستاده شوند. سمعک‌ها نه فقط متراکم‌تر و حساس‌تر می‌شوند بلکه باتری‌های آن‌ها قابل تعویض خواهد بود.
حسگرهای نانوپیزوالکترونیک 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 اشعه 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 شاخه نانوپیزوالکتریک دنبال می‌شود. هم اکنون محققان اولین مولدها را که بر پایه نانو سیم‌ها کار می‌کنند تولید کرده‌اند که انرژی مکانیکی لازم را برای نیرو رساندن به وسایل الکترونیکی کوچک مثل دیودها و صفحه نمایش کریستال مایع ذخیره می‌کنند.
پیزوالکتریک‌ها قبلا در میکروفن‌ها، حسگرها، ساعت‌ها و… استفاده شده‌اند اما تلاش برای ذخیره انرژی بیومکانیکی توسط آن‌ها بی‌نتیجه مانده‌است زیرا آن‌ها بیش از اندازه سفت‌اند. پلیمرهای پیزوالکتریک موجودند اما استفاده از آن‌ها به صرفه نیست.
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.
نقطه کوری
واژه‌نامه