Kimyacılar Ultrasonda Kullanılan Akıllı Malzemelerin Suya Benzer Özellikler Gösterdiğini Söyledi

Pennsylvania Üniversitesi’nde araştırmacılardan oluşan bir ekip, ultrason teknolojisinde kullanılan akıllı materyallere yeni bir bakış açısı kazandırıyor. Bu malzemelerin çalışma biçimine ilişkin  Nature dergisinde yayınlanan araştırmaya, Arts & Sciences Okulu’ndaki  Blanchard Kimya Profesörü ve  Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Yüksekokulu’nda malzeme bilimi ve mühendisliği profesör olan   Andrew M. Rappe önderliğinde ,Kimya bölümünde doktora sonrası arştırmacısı olan  Hiroyuki Takenaka  Penn Araştırma Uzmanı  Ilya Grinberg ve mezun Shi Liu da çalışmaya katkıda bulundu.

Bu gruptaki araştırmacılar, materyallerin enerji ile farklı formlarla nasıl etkileşime girdiğini ve enerjiyi nasıl farklı formlara dönüştürdüklerini merak ediyorlar. Bu çalışmada, mekanik enerjinin elektrik enerjisi ile değişimi olan piezoelektriğin akıllı malzemesinin bir davranışını araştırıyorlardı.

Piez-tezyasyonda, bir malzemeye bir elektrik alanı uygulamak, içindeki dipolü değiştirir; Bu da malzemenin işlevselliğinin anahtarıdır. Kapsamlı modeli oluştururken, suyun davranışıyla çarpıcı benzerlikler bulmuşlardır.

“Bir kafes içinde oksijen atomu olduğunu düşünebilirsiniz,” dedi Rappe  “ortada pozitif bir iyon var, eğer bu iyon kafesin ortasında oturuyorsa dipol yoktur, ancak ortadan kalktığında o zaman bir dipol oluşur. Bu dipollerin yeniden düzenlenmesi, akıllı malzeme özelliklerine yol açan şeydir. “Pozitif iyonlar merkezden uzaklaştıkça onları çevreleyen iyon kafesleri, aynı şekilde büzülür veya uzatılır ve böylece malzemenin şekli değişir.

Ultrason cihazlarında voltaj sağlanması materyali şekillendirir veya titreştirir ve bu titreşimler insan vücuduna girer ve etrafında yankı bulur. Piezoelektrik malzemeler, radarlarda da kullanılarak cihazların su altını  görmesini sağlamak için de kullanılır.

Son zamanlarda, bilim adamlarının öncekinden daha yüksek piezoelektrik performansı verdiğine inanan bir dizi malzeme keşfedildi. Rappe, temel seviyede, insanların bu malzemelerin neden aynı şekilde işlev gördüğünü anlamadığını belirtti. “Neden çalıştığını bilmiyorsanız, onu ters mühendislik yaparak bir sonraki aşamaya nasıl ulaştırırsınız?” dedi. Araştırmacılar genellikle akıllı malzemeleri incelemek için teori ve modelleme kullanmaktadır. Bir sistemin nasıl çalıştığını düşündükleri konusunda bir fikirleri vardır ve bazı denklemleri çözerek gerçek bir maddenin ne yaptığını canlandırabilirler.

Rappe, “Genellikle yaptığımız şey, kuantum mekaniği denklemlerini çözmek çünkü kuantum mekaniğinin, elektronların nasıl davrandığı konusunda doğru bir model olduğu biliniyor” dedi. “Elektronlar, çekirdeği bir arada tutan yapıştırıcıdır. Nasıl davrandıklarını biliyorsanız, bağlar kırıldığında ve yeniden oluştuğunda neyin belirlediğini bilirsiniz.”

Ancak, heyecan verici bir gelişme, araştırmacıların mekanik olarak kuantuma gereksinim duydukları şeyin ötesine geçebilme yeteneğidir.

Rappe, “Bu, gerçekleşmesi uzun zaman alan ya da yalnızca bir malzemenin derinlerinde gerçekleşen davranışları gözlemlememizi sağlıyor ve bu bize karmaşık davranışlar konusunda eşsiz perspektifler sunuyor” dedi.

Diğer deneyler bu materyali araştırdığında bazı teorik modeller onun bazı yönlerini ortaya çıkardı, Penn araştırmacıları şimdi bu maddenin çalışma şekli için en kapsamlı modeli sağladı.

Daha önce, bilim adamları, daha yüksek sıcaklıklarda “kendileri için dipol” olduğunu düşünüyorlardı ki bu da elektrik alanları gibi dış uyaranlara cevap vermelerini kolaylaştırıyordu.

Malzeme soğuduğunda, dipoller  ‘’kutupsal nano bölgeler’’  adı verilen gruplar halinde toplanır. Bu bölgeler büyüdükçe durgunlaşıyor ve yanıt vermeleri gittikçe zorlaşıyor.

Bu yeni raporda, araştırmacılar, sıcaklık yükseldiğinde dipoller ayrı olarak dolaşırken sıcaklık düştüğünde ise bu dipoller birbirlerini bularak bu nano alanları oluştururlar ,yani  bölgeler aslında giderek büyümüyor ve aslında bunun yerine sıraya giriyorlar diye belittiler.

Bu, farklı sıralamalardaki yamaları ayıran bölüm duvarlarının oluşumuna yol açar. Malzemedeki gelişmiş piezoelektrik özelliklere yol açan dipolar bölgeler arasındaki bu alan duvarıdır.

Bu, sıcaklığın düşük olduğu yerlerde dipollerin birbirleriyle daha fazla ilişkili hale geldiği suda benzer bir davranış ortaya çıkarır, ancak korelasyon daha büyük mesafelerde tutulmaz.

Rappe, “Hiçbir zaman mükemmel şekilde sıralanmadı” dedi. “Yakınlardaki su dipolleri giderek daha fazla sıralanabilir, ancak hidrojen bağından dolayı  büyümeyen bazı iç boyutlar var.”

Piezoelektrik malzemeler, birçok endüstride kullanılan transdüserler, aktüatörler ve sensörlerde önemli bir elementtir. Nasıl çalıştıklarına ilişkin anlayış eksikliği, daha kaliteli malzemelerin geliştirilmesini yavaşlatmıştır. Bu yazı, suyun davranışıyla nasıl benzerlik gösterdiğini ve nasıl işlediğini yeni bir anlayışla ortaya koymaktadır.

Bu materyallerin bu şekilde davrandıklarının daha kapsamlı bir şekilde anlaşılması, yeni materyal tasarımının kilidini açabilir ve akıllı malzeme uygulamalarında devrim yaratacak daha kaliteli piezoelektriklere neden olabilir.

“Sınırlı sıcaklıktaki milyonlarca atoma kadar bireysel elektronlardan bir model oluşturabilmek heyecan verici” diyen Rappe, “bize insanlara yardımcı olabilmek için enerjiyi daha yararlı aletlere dönüştürebilen malzemeleri arttırabileceğimiz yollar gösteren bu karışık özellikleri gözlemlemek de heyecan verici’’ diye de ekliyor.

Kaynak : phys.org