Les inventeurs japonais ont créé des piézoélectriques améliorés - des cristaux transparents qui seront utiles dans le développement de technologies de nouvelle génération.
Certains matériaux cristallins ont des moyens de changer de forme lorsqu'ils sont frappés par un choc électrique. Les scientifiques utilisent ces soi-disant piézoélectriques en médecine ultrasonore depuis des décennies: les matériaux qui en sont issus sont si sensibles qu'ils peuvent détecter le mouvement des ondes sonores traversant les tissus. Les chercheurs ont récemment mis au point une nouvelle façon de créer de puissants piézoélectriques transparents qui pourraient non seulement améliorer la qualité des photographies médicales, mais également créer des robots invisibles et des écrans tactiles qui s'activent lorsqu'ils sont touchés sans piles tierces.
Les piézoélectriques sont composés de nombreuses minuscules cristallites ou monocristaux de divers matériaux, y compris des céramiques et des polymères. Dans les deux cas, le mélange d'atomes se transforme en une simple unité cristalline - généralement de quelques atomes de taille - qui se répète encore et encore. À l'intérieur de chacun de ces blocs de construction, les atomes sont situés dans ce qu'on appelle un dipôle électrique, avec beaucoup de charges positives d'un côté et beaucoup de charges négatives de l'autre.
L'application d'une pression sur ces matériaux peut modifier subtilement la position des atomes, ce qui suffit à réorganiser les charges et à générer une tension électrique. L'application d'une tension électrique a l'effet inverse, provoquant l'expansion du matériau dans un sens et la contraction dans l'autre.
Cette propriété rend les piézoélectriques extrêmement utiles dans une grande variété d'applications. Le bio-ingénieur Sri Rajasekhar Kotapalli note que les dispositifs piézoélectriques font partie de tout, des briquets et boutons de gril de barbecue aux systèmes de précision des microscopes modernes.
Ils sont également nécessaires pour l'imagerie photoacoustique, dans laquelle un dispositif piézoélectrique appelé transducteur est utilisé pour détecter les ondes ultrasonores émises par les tissus mous lorsque la lumière d'un laser est absorbée. Différentes molécules - de l'hémoglobine à la mélanine - absorbent différentes fréquences, de sorte que les médecins peuvent visualiser différents types de tissus pour rechercher des problèmes de santé. Cependant, les transducteurs opaques projettent une petite ombre, ce qui signifie que le tissu directement en dessous d'eux ne peut pas être affiché. Pour contourner ce problème, les chercheurs ont créé des transducteurs utilisant des piézoélectriques transparents, mais jusqu'à présent, ces matériaux étaient trop faibles et peu fiables pour finalement résoudre le problème.
Il y a plusieurs années, des chercheurs japonais ont trouvé un moyen ingénieux de créer des piézoélectriques transparents. Leur matériau de choix, un composé de niobate de plomb et de titanate de plomb (PMN-PT), était un ferroélectrique qui alimente naturellement les dipôles électriques. Les chercheurs ont déjà converti ces matériaux en piézoélectriques en les exposant à un courant électrique continu. Mais l'équipe japonaise a constaté que leur exposition au courant alternatif - de ceux fournis aux foyers et aux entreprises - génère une puissante charge de piézoélectricité. «C'est comme secouer le cristal d'avant en arrière», explique Long-Qing Chen, un scientifique informatique basé en Pennsylvanie. Un tel bouleversement pourrait doubler les propriétés piézoélectriques du cristal, comme l'équipe japonaise l'avait annoncé en 2011.
Le PMN-PT est généralement opaque car des groupes individuels de dipôles diffusent la lumière dans toutes les directions. En utilisant un courant alternatif, l'équipe a aplati les dipôles, puis a chauffé et poli le matériau pour obtenir des propriétés transparentes et piézoélectriques 50 fois plus puissantes que les matériaux piézoélectriques transparents conventionnels. Le résultat du travail est présenté dans la revue Nature.
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Des dispositifs piézoélectriques améliorés peuvent être utilisés pour fabriquer des appareils d'imagerie photoacoustique plus sensibles qui peuvent aider les cliniciens dans tout, de la détection du cancer du sein et du mélanome à la surveillance du flux sanguin pour traiter les maladies vasculaires. Les chercheurs rapportent que ces progrès pourraient également inciter les ingénieurs à créer des actionneurs transparents pour la robotique invisible et les écrans activés au toucher.
Vasily Makarov