丹麦技术大学
信用:Pixabay/CC0公共领域
压电现象无处不在:手表、汽车、闹钟、耳机、乐器拾音器、电子打火机和煤气灶
最常见的例子之一可能是石英表，其中压电材料石英是手表功能的先决条件
压电材料具有特殊的性质，当向材料施加电压时，它们的形状会改变
反之亦然:将它们暴露在机械冲击下会产生电压
压电性常用于传感器、致动器和谐振器
在小型设备中，它们被称为MEMS(微机电系统)
这里，必须使用石英以外的材料
然而，这些材料通常含有锆钛酸铅(PZT)形式的铅
这可能会成为生物医学领域技术传播的障碍，因为铅对身体有害
然而，研究人员评估了压电效应在更广泛的诊断、预后和治疗技术中的巨大潜力，如果铅可以被去除的话
在《科学》杂志的一篇新文章中，DTU能源公司的妮妮·普里兹教授和文森佐·埃斯波西托教授表明，在通常不可能产生压电效应的材料中，也有可能产生压电效应
它为设计无铅且更加环保的压电材料铺平了道路
这项研究是由EPFL(洛桑联邦理工学院)、特拉维夫大学和安特卫普大学的同事共同完成的
更环保的材料 这项工作源于DTU协调的欧盟项目Biowings，在该项目中，几个欧洲合作伙伴正在研究开发新的生物医学MEMS，这种MEMS由基于无毒和环保的掺钆氧化物材料的无铅薄膜制成
这是一个巨大的挑战，但其中的潜力，例如
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血细胞分类、细菌分离和血细胞比容水平的估计值很高
“许多微机电系统已经存在，但它们通常含有对人体植入有害的含铅材料
“BioWings项目旨在开发生物相容性材料，其特性类似于不含铅或其他有害物质的普通含铅材料，”Nini Pryds说，并补充道: “这一新的发展将为开发高性能的环境友好型压电材料，例如
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汽车技术和医疗应用，”妮妮·普里兹说
作为一个基本前提，压电材料依赖于晶体对称性
典型的压电材料具有所谓的非中心对称晶格
这意味着，例如，当一个人按压材料时，由于正离子和负离子相对于彼此的运动，在材料上自然产生电压
这导致晶体的对称性被破坏
一个多世纪以来，这一直是寻找新压电材料的一个重大障碍，因为压电性只能由非中心对称的晶格产生
可能的范式转变 这项新研究的一个惊人结果是，用通常不允许的材料可以获得相当大的压电效应
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中心对称材料
通过同时使用交流电(AC)和直流电(DC ),可以在中心对称的氧化物中诱导压电性
该场导致材料中的正离子和负离子缺陷相对于彼此的运动，从而导致电偶极或极化
它破坏了材料的晶体对称性，从而在中心对称晶体中实现压电性
根据Nini Pryds的说法，这一概念对于具有类似原子缺陷的其他材料也是可能的
因此，它有助于为非铅基压电性铺平道路，例如在致动器和传感器中
目前，压电材料仅限于非中心对称的晶体结构
这使得可以使用的材料数量受到很大限制
我们的新结果提供了在中心对称晶体中诱导压电性的范式转变，从而扩大了可能使用的材料的数量
我预计它将对采用新型生物相容性材料的新型机电设备的设计产生重大影响，”Nini Pryds说
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