Инженеры из Массачусетского технологического института создали новый материал, который подобно пьезоэлектрикам изгибается под действием электрического тока, набирая или выпуская кислород. В отличие от большинства известных пьезоэлектриков, этот материал сохраняет свои свойства при гораздо более высоких температурах. Исследование опубликованов журнале Nature Materials.

Некоторые вещества из-за особой кристаллической структуры обладают пьезоэлектрическим эффектом – возникновением электрического напряжения при деформации твердого тела. У пьезоэлектриков, широко используемых в современной технике, есть большой недостаток, ограничивающий их применение: большинство из них теряют или меняют свои особые свойства при повышении температуры. Исследователи решили создать материал с аналогичным эффектом, но лишенный этого недостатка, и устроенный принципиально иным образом.

Один из авторов работы (Jessica Swallow) показывает установку, которая была использована в исследовании. MIT News, 2017

В своей работе ученые решили использовать механизм, похожий на тот, который используется в большинстве современных перезаряжаемых аккумуляторов: ионы перемещаются из материала и обратно, что вызывает его расширение или сжатие.

Схематическое изображение эффекта. Под действием электрического тока количество кислородных вакансий меняется, из-за чего меняется и размер пленки, заставляя конструкцию изгибаться. Jessica G. Swallow et al. / Nature Materials, 2017

Ученые собрали экспериментальное устройство, устроенное следующим образом: на подложку из диоксида цирокния, стабилизированного оксидом иттрия наносился слой Pr_xCe_1−xO_2−δ толщиной в несколько сотен нанометров. Подложка выступала в качестве твердого электролита, отдающего и забирающего кислород из пленки Pr_xCe_1−xO_2−δ под действием электрического тока. К полученной системе были подсоединены электроды. Изначально, в пленке существовало некоторое количество вакансий, не занятых кислородом. Под действием тока около одной десятой вольта количество таких вакансий в пленке увеличивалось или уменьшалось, в зависимости от приложенного напряжения. Из-за этого пленка меняла размер, увеличиваясь или сокращаясь. Поскольку размер подложки при этом оставался неизменным, конструкция изгибалась в ту или иную сторону в зависимости от напряжения тока. Таким образом, исследователи по сути получили материал с химическим аналогом обратного пьезоэлектрического эффекта.

В отличие от большинства пьезоэлектриков полученный материал не теряет своих свойств при высоких температурах (более 500 градусов Цельсия). Ученые надеются, что это позволит использовать его в качестве основы исполнительных механизмов (актуаторов) или датчиков в условиях высоких температур, к примеру, в ядерных реакторах или аэрокосмической технике. Исследователи также надеются, что похожий эффект можно будет в будущем получить с использованием других оксидов или даже в материалах, в которых ионный обмен происходит за счет других элементов.

Разработка ученых может быть использована в качестве материала для искусственных мышц. Недавно такие мышцы создали из нейлона и даже репчатого лука.

Автор: Григорий Копиев