Nanomaterily smart materily Piezoelektrick pyroelektrick a feroelektrick materily

Nanomateriály, smart materiály Piezoelektrické, pyroelektrické a feroelektrické materiály se právem řadí k tzv. „chytrým“ („smart“) materiálům, díky své jedinečné vlastnosti přímé transformace mechanických jevů na elektrické a naopak. Tyto materiály umožňují řadu aplikací žádaných z hlediska úspor energie, automatizace a elektronizace různých průmyslových zařízení i přístrojů každodenní potřeby. Volba nejvhodnějšího materiálu je však komplikovanější díky jejich anizotropním vlastnostem.

• Piezoelektřina a další elektromechanické jevy (dle J. Erharta, TU Liberec) Elektromechanické jevy, zejména piezoelektřina a pyroelektřina, jsou dnes široce aplikovanými jevy v mnoha oborech lidské činnosti. Spektrum aplikací zahrnuje senzory, převodníky mechanických veličin a ultrazvukové motorky a patrně každý z nás vědomě či nevědomě některou z těchto aplikací používá v každodenním životě. Výzkum a vývoj nových aplikací není ani zdaleka uzavřen – dnešními velice zkoumanými možnostmi je použití piezoelektrických prvků ke generaci náboje jako náhrada baterií (tzv. „energy harvesting“ např. pro nabíjení mobilní elektroniky a senzorů umístěných na nepřístupných místech), autonomně pracující senzory, lékařská ultrazvuková diagnostická a léčebná technika atd. Tím využití těchto jevů slouží k automatizaci a úsporám elektrické energie, zlepšuje komfort a kvalitu našeho života. V izolantech (dielektrikách) existuje sice také i malé množství volných nosičů náboje, ale díky typickým kovalentním vazbám je většina nábojů (elektronů i iontů) pevně držena v krystalické struktuře. Elektrony ani ionty tedy nelze využít k vedení proudu jako u kovů – jde o tzv. vázané nosiče náboje. Vnější elektrické pole sice působí i na vázané náboje, ale dokáže vyvolat pouze jejich malé výchylky kolem rovnovážných poloh v krystalové mřížce.

Piezoelektrický jev V dielektrických materiálech lze na nosiče náboje působit mechanickým tlakem. Spolu s deformací krystalové mřížky se posouvají i elektrické náboje v její struktuře. Pokud nemá krystalová mřížka střed symetrie, vzniká nesymetrické uspořádání nábojů charakterizované nenulovým dipólovým momentem. Velikost dipólového momentu je přímo úměrná velikosti působícího tlaku. Tento jev byl podle řeckého slova piedzó = tlačit nazván přímým piezoelektrickým jevem. Existuje také obrácený piezoelektrický jev, který spočívá ve vzniku mechanické deformace generované v látce elektrickým polem. Oba jevy existují pouze v krystalických strukturách bez středu symetrie, a to ještě vzhledem ke krystalové mřížce jen v některých určitých směrech. Dipólové momenty existují v látce pouze během zatížení krystalu mechanickým tlakem. Bez stlačení je piezoelektrická látka elektricky neutrální. Podobně u obráceného piezoelektrického jevu se krystal přiložením elektrického pole mechanicky deformuje a po vypnutí pole se krystal vrací do stavu před deformací.

Mody 33 a 31 Pielzoelektrického chování keramiky (Roundy et al 2003, © 2003, Elsevier)

Piezo-generátor a Piezo-motor Tzv. přímý piezoelektrický jev: Na nosiče náboje působit vnějším mechanickým tlakem. Tzv. obrácený piezoelektrický jev spočívá ve vzniku mechanické deformace generované v látce elektrickým polem.

Pyroelektrický jev Podobně jako mechanickým tlakem lze deformovat krystalickou mřížku dielektrik také změnou teploty. V látkách s jednou polární osou symetrie tak lze změnou teploty vytvářet dipólový moment, jehož velikost je přímo úměrná změně teploty a má směr této polární osy symetrie. Tento jev byl znám již od 17. století z pozorování přitahování částeček popela k jednomu konci chladnoucího krystalku turmalínu nalézaného v přírodě. Podle řeckého slova pyros = oheň byl jev nazýván jevem pyroelektrickým. K tomuto jevu také existuje obrácený jev, spočívající ve změně teploty krystalu vloženého do elektrického pole – jev elektrokalorický. Protože pyroelektřina klade vyšší nároky na asymetrii krystalu, jsou všechny pyroelektrické látky současně také piezoelektrické, ale ne všechny piezoelektrické látky musejí být nutně i pyroelektrické. Také u pyroelektrického jevu vzniká a trvá dipólový moment pouze při změně teploty.

Feroelektřina Existují však i látky, u nichž existuje v krystalové struktuře dipólový moment trvale a samovolně. Takové látky se nazývají feroelektrické (jev se označuje jako feroelektřina) a jsou vlastně elektrickou analogií permanentních magnetů. Teoreticky by tedy měly existovat elektrické náboje tvořící dipól na opačných pólech krystalu feroelektrické látky trvale. Jsou však záhy kompenzovány náboji z okolního prostředí nebo volnými náboji v samotném dielektriku. Vnitřní uspořádání dipólových momentů uvnitř látky však zůstává a projevuje se řadou zajímavých vlastností. Požadavky na krystalovou symetrii látky jsou stejné jako pro pyroelektrický jev. Každý feroelektrický materiál je tedy současně také pyroelektrický i piezoelektrický. Feroelektrické látky se používají jednak pro své vysoké hodnoty permitivity, které se u nich dosahuje řádově až 10000 a díky níž lze miniaturizovat elektronické součástky, např. kondenzátory v elektronických obvodech. Prostorově souvislá oblast se stejnou orientací dipólových momentů ve všech buňkách mřížky se nazývá feroelektrická doména. Existuje jen určité konečné množství možností orientace dipólových momentů dané symetrií krystalické mřížky – maximálně 48 možností. Vnějším elektrickým polem pak můžeme přepínat jednotlivé orientace dipólových momentů mezi sebou. Látka si ve střídavém elektrickém poli pamatuje svoji historii, což se projevuje v jejím chování tzv. hysterezní smyčkou – látka se při vypnutí elektrického pole nevrací do stavu s nulovou deformací a nulovým dipólovým momentem, ale ponechává si nenulovou permanentní deformaci a nenulový permanentní dipólový moment.

Elektrostrikční jev Mezi elektromechanické jevy dále patří také elektrostrikční jev, který spočívá ve vzniku mechanické deformace látky po jejím vložení do elektrického pole. Tento jev je vlastní všem látkám bez ohledu na symetrii krystalové mřížky a mechanická deformace závisí kvadraticky na velikosti intenzity elektrického pole. Elektrostrikce je při stejné hodnotě elektrického pole znatelně menší než piezoelektrický jev, ale elektrostrikčně generovaná maximální deformace některých látek může dosáhnout větších hodnot než by tomu bylo u piezoelektřiny. Elektrostrikční vlastnosti některých látek jsou technicky aplikovány mj. v prvcích pro velmi jemné posuvy potřebné např. v optických zařízeních. Rezonátory Tradičním a dodnes v řadě parametrů nepřekonaným piezoelektrickým materiálem je křemen (Si. O 2), který sice nemá nijak oslňující velikost piezoelektrických vlastností, ale je jedinečným materiálem pro piezoelektrické rezonátory. V rezonančních zařízeních totiž využíváme inverzní piezoelektrický jev a přiloženým elektrickým polem mechanicky rozkmitáváme piezoelektrický prvek - rezonátor. V mechanické rezonanci potom prvek slouží jako stabilizátor rezonančního kmitočtu elektrického obvodu. Křemen je velice dobrým rezonátorem díky svým velmi malým mechanickým ztrátám.

Feroelektrikum Ba. Ti. O 3

Piezoelektrické senzory zrychlení kmitavého pohybu a časově proměnných tlaků Působením mechanického namáhání nepřevyšujícího u křemene 1, 5 k. N/m 2 a u titaničitanu barnatého 0, 3 k. N/m 2 (tj. 300 Pa) nedochází k nelineárnímu zkreslení elektrického signálu. Nemožnost měřit napětí o velmi nízkých frekvencích je způsobena tím, že piezoelektrický senzor funguje jako nabíjený kondenzátor. Jeho vybíjení podstatně snižuje přesnost měření na nejnižších frekvencích, proto musí být zajištěn dostatečně vysoký izolační odpor výstupních vývodů senzoru i vstupního obvodu připojované elektroniky, aby elektrický náboj unikal co nejpomaleji zejména v těch případech, kdy je požadováno měření quazistatických průběhů. Piezoelektrické senzory zrychlení kmitavého pohybu mají aktuální význam při měření kmitání lopatek leteckých proudových motorů, při geofyzikálních měřeních atd. V některých případech vyžaduje jejich využití měřit vysokofrekventní zrychlení při teplotách několika set stupňů Celsia. Za těchto okolností jsou piezoelektrické senzory chlazeny vodou. Přímý piezoelektrický jev se též využívá ke konstrukci vibrátorů umožňujících měření frekvenčních charakteristik senzorů parametrů kmitavého pohybu od několika Hz do desítek k. Hz. Piezoelektrické vibrátory jsou sestavovány z několika desítek destiček piezoelektrického keramického materiálu pevně spojených vhodným tmelem. Elektricky jsou spojeny destičky paralelně. Piezoelektrické vibrátory jsou napájeny výkonovým RC generátorem. Produkují mechanické kmity v nejširším frekvenčním rozsahu, až do 100 k. Hz.

NANOMATERIÁLY Shora dolů Zezdola nahoru

Klasifikace nanoobjektů, tj. pod 100 nm

Nasospider. TM (fa Elmarco, Liberec) Nanovláknové natkané textilie vytvářené pomocí tzv. elektro-spinningu Materiály: konvenční polymery biokompatibilní / bio-dagradabilní polymery – želatina, kolagen, chitosan Nanovlákno je vytvořeno z kapalného polymeru v elektrickém poli Zvlákňování z volné hladiny roztoku polymeru v silném elektrostatickém poli bez použití trysek.

1000 x zvětseno (Řádkovacím elektronovým mikroskopem) Nanovlákna a na nich zleva zrnko pylu a lidský vlas Nanovlákna jsou speciálně vyráběná vlákna o průměru menším než 500 nm Můžeme je porovnat s mikrovlákenným MB (meltblown) a SB (spunbond), které se pohybují v řádu od 0. 9 µm. Vlákno vlny Merino měří 12 - 24 µm a lidský vlas má průměr cca 80 µm, je tedy zhruba 200 krát větší než průměrné nanovlákno.

Nanospider. TM Produkční linka NS 1 WS 500 U firmy Elmarco umožňuje výměnu elektrodového systému, a tím optimalizaci procesu pro polymery vodou rozpustné i nerozpustné.