15 mrt. 2022
2 minuten
EPFL-onderzoekers hebben ontdekt dat met gadolinium gedoteerde ceriumoxide, een verbinding die ze in het laboratorium hebben gemaakt, een veelbelovend alternatief kan zijn voor bepaalde piëzo-elektrische materialen: het heeft dezelfde eigenschappen maar is mogelijk 100 keer effectiever. Het is ook loodvrij, in tegenstelling tot de beste bestaande piëzo-elektrische materialen, wat betekent dat het kan worden gebruikt in biocompatibele medische toepassingen.
De wetenschappers manipuleerden de atoomdefecten in een loodvrij materiaal dat normaal niet piëzo-elektrisch is en induceerden zo een groot piëzo-elektrisch effect. Er zal verder onderzoek worden gedaan naar deze verbinding en soortgelijke materialen.
MEMS is veelbelovend voor biomedische toepassingen, zoals voor diagnostiek, prognose en therapie, maar de beste bevatten lood. Dit onderzoek, gedaan door Dr. Park en Prof. Damjanovic werd uitgevoerd in het kader van het BioWings-project, een EU-initiatief om loodvrije MEMS te ontwikkelen die kunnen worden gebruikt als actuatoren in verschillende soorten biomedische toepassingen.
Elektrostrictie
"Het belangrijkste doel van BioWings is om systemen te ontwikkelen die gebaseerd zijn op een eigenschap die elektrostrictie wordt genoemd, in plaats van piëzo-elektriciteit", zegt Damjanovic. Elektrostrictie houdt, net als piëzo-elektriciteit, in dat elektrische energie wordt omgezet in mechanische energie. Het komt tot op zekere hoogte in alle materialen voor, maar het effect is meestal erg klein. "Het belangrijkste verschil tussen piëzo-elektriciteit en elektrostrictie is dat piëzo-elektrische materialen uitzetten of krimpen, afhankelijk van het elektrische veld dat wordt toegepast", zegt Damjanovic. "Elektrostrictieve materialen vervormen op dezelfde manier, ongeacht de oriëntatie van het elektrische veld."
100 keer effectiever
De onderzoekers vonden een manier om dit symmetrische elektrostrictieve effect te doorbreken door naast een wisselveld ook een constant elektrisch veld aan te leggen. Dit veranderde in wezen de elektrostrictieve eigenschap van met gadolinium gedoteerde ceriumoxide in een piëzo-elektrische eigenschap.
"De toevoeging van gadolinium in ceria zorgt voor een grote concentratie van atoomdefecten (zuurstofvacatures) die mobiel zijn in de aanwezigheid van een elektrisch veld. Dat betekent dat een sterk piëzo-elektrisch effect in met gadolinium gedoteerd ceriumoxide kan worden opgewekt door de defecten te beheersen", aldus Park. "Door de mobiele defecten te manipuleren, kunnen we de piëzo-elektrische gevoeligheid met een factor 100 verhogen ten opzichte van zelfs de krachtigste loodhoudende piëzo-elektrische materialen." Damjanovic voegt toe: "Ons doel is niet om deze materialen te elimineren of te vervangen, maar om alternatieven te bieden voor de materialen die lood bevatten."
Anderen lazen ook
