پیزوالکتریک یا پیزوالکتریسیته، مقدار بار الکتریکی (پتانسیل الکتریکی) است که در برخی مواد جامد مانند کریستال‌ها، برخی سرامیک‌ها و مواد بیولوژیکی مانند استخوان، DNA و پروتئین‌های مختلف، در پاسخ به یک فشار مکانیکی اعمال شده،جمع می‌شود.
اثر پیزوالکتریک ناشی از برهمکُنش الکترومکانیکی خطی بین حالت‌های مکانیکی و الکتریکی در مواد کریستالی بدون تقارن وارونگی است. اثر پیزوالکتریک یک فرآیند برگشت‌پذیر است. موادی که اثر پیزوالکتریک را نشان می‌دهند، اثر پیزوالکتریک معکوس، یعنی تولید داخلی یک کُنش مکانیکی ناشی از یک میدان الکتریکی اعمال شده‌را نیز نشان می‌دهند.
به عنوان مثال؛ کریستال‌های تیتانات زیرکونات سرب، هنگامی که ساختار استاتیک آنها حدود ۰.۱٪ از ابعاد اصلی تغییر شکل یابد، پیزوالکتریک (پتانسیل الکتریکی) قابل اندازه‌گیری تولید می‌کنند. برعکس، همین کریستال‌ها هنگامی که یک میدان الکتریکی خارجی به آنها اعمال می‌شود، حدود ۰.۱٪ از ابعاد استاتیک آنها تغییر می‌کند. جالب است بدانید از اثر پیزوالکتریک معکوس در تولید امواج فراصوت نیز استفاده‌می‌شود.
ریشه‌شناسی
کلمه پیزوالکتریک به معنای تولید الکتریسیته از نوعی فشار مکانیکی و یا گرمای نهانی ماده است. این کلمه از عبارت یونانی باستانی (piézō) به معنای فشردن یا فشار دادن و (ḗlektro) به معنای کهربا (منبع باستانی الکتریسیته ساکن) گرفته‌شده‌است. شکل آلمانی این کلمه (Piezoelektrizität) در سال ۱۸۸۱ توسط فیزیکدانی آلمانی به نام “ویلهلم گوتلیب هنکل” ابداع شد. کلمه انگلیسی (Piezoelectric)، البته در سال ۱۸۸۳ از همین زبان آلمانی گرفته‌شده‌است.
کشف و تحقیقات اولیه
اثر پیزوالکتریک، که در آن یک ماده در پاسخ به تغییر دما یا فشار مکانیکی، پتانسیل الکتریکی از خود تولید می‌کند، ابتدا توسط دو محقق به اسامی “کارل لینه” و “فرانتس آپینوس” در اواسط قرن هجدهم (۱۷۵۰ میلادی) مورد مطالعه قرار گرفت. با تکیه بر این دانش اولیه، دو دانشمند دیگر به نام‌های “رنه جاستهای” و “آنتوان سزار بکرل” رابطه‌ای بین تنش مکانیکی و بار الکتریکی مطرح کردند. با این حال، متأسفانه در آن سال‌ها آزمایش‌های هر دوی آنها بی‌نتیجه ماند.
اما دهها سال بعد، اولین نمایش اثر پیزوالکتریک مستقیم، در سال ۱۸۸۰ توسط برادران؛ “پیر کوری” و “ژاک کوری” انجام شد. آنها دانش خود در مورد پیزوالکتریک را با درک خود از ساختارهای کریستالی بنیادی که منجر به پیزوالکتریسیته می‌شدند، برای پیش‌بینی رفتار کریستال‌ها ترکیب کردند و این اثر را با استفاده از کریستال‌های تورمالین، کوارتز، توپاز، نمک روشل (تتراهیدرات سدیم پتاسیم تارترات) و حتی شکرِ نیشکر نشان دادند. در آزمایشات آنها، کوارتز و نمک روشل بیشترین تولید پیزوالکتریسیته را از خود نشان دادند.
پیزوالکتریک معکوس
مواد پیزوالکتریک همچنین اثر معکوسی را نشان می‌دهند که اثر پیزوالکتریک معکوس نامیده‌می‌شود، که در آن اِعمال میدان الکتریکی باعث ایجاد تغییر شکل مکانیکی در بلور می‌شود. با این حال برادران کوری، هنوز اثر پیزوالکتریک معکوس را پیش‌بینی نکرده‌بودند. اثر معکوس در سال ۱۸۸۱ توسط “گابریل لیپمن” از اصول اساسی قانون ترمودینامیک و به صورت ریاضی استنتاج شد. پس از آن، کوری‌ها بلافاصله وجود اثر معکوس را نیز تأیید کردند. آنها به اثبات کمّی برگشت‌پذیری کامل تغییر شکل‌های الکترو-الاستو-مکانیکی در بلورهای پیزوالکتریک ادامه دادند.
ولی برای چند دهه بعد، پدیده پیزوالکتریسیته فقط به عنوان چیزی شبیه به یک کنجکاوی آزمایشگاهی باقی ماند. اگر چه ابزاری حیاتی در کشف پولونیوم و رادیوم توسط پیر و ماری کوری در سال ۱۸۹۸ بود!!. اما به مرور، کارهای بیشتری برای کشف و تعریف ساختارهای کریستالی که پیزوالکتریسیته را نشان می‌دادند، انجام شد. این امر در سال ۱۹۱۰ با انتشار کتاب Lehrbuch der Kristallphysik (کتاب درسی فیزیک کریستال) اثر “ولدمار ویگت”، به اوج خود رسید که در آن ۲۰ دسته کریستال طبیعی که قادر به تولید پیزوالکتریسیته بودند، توصیف شده‌و ثابت‌های معادلات پیزوالکتریک با استفاده از تحلیل “تانسور” به طور دقیق تعریف شدند.
پیزوالکتریک و جنگ اول
اولین کاربرد عملی دستگاه‌های پیزوالکتریک، سونار بود که برای اولین بار در طول جنگ جهانی اول توسعه یافت. عملکرد برتر دستگاه‌های پیزوالکتریک که در فرکانس‌های فراصوت کار می‌کردند، جایگزین نوسانگر Fessenden قبلی شد (اسیلاتور Fessenden یک مبدل الکتروآکوستیک است که توسط شخصی به اسم Reginald Fessenden اختراع شد و توسعه آن در سال ۱۹۱۲ در شرکت سیگنال زیردریایی بوستون آغاز شد). در فرانسه در سال ۱۹۱۷، “پل لانگوین” و همکارانش یک آشکارساز فراصوت زیردریایی ساختند. این آشکارساز شامل یک مبدل ساخته‌شده‌از کریستال‌های نازک کوارتز بود که با دقت، بین دو صفحه فولادی چسبانده‌شده‌بودند و یک هیدروفون برای تشخیص پژواک بازگشتی را تشکیل می‌دادند.
در این مبدل با انتشار یک پالس فرکانس بالا از مبدل و اندازه‌گیری مدت زمان لازم برای شنیدن پژواک از امواج صوتی منعکس شده از یک جسم، می‌توان فاصله تا آن جسم را محاسبه کرد. در آن سال‌ها به مرور دستگاه‌های پیزوالکتریک در بسیاری از زمینه‌ها جایگاه خود را پیدا کردند. کارتریج‌های سرامیکی گرامافون، طراحی پخش‌کننده‌را ساده‌تر کردند. آنها دقیق بودند و نگهداری و ساخت پخش‌کننده‌های گرامافون را ارزان‌تر و آسان‌تر کردند.
توسعه مبدل اولتراسونیک امکان اندازه‌گیری آسان ویسکوزیته و الاستیسیته در مایعات و جامدات را فراهم کرد و منجر به پیشرفت‌های عظیمی در تحقیقات مواد شد. بازتاب‌سنج‌های حوزه زمانی اولتراسونیک (که یک پالس اولتراسونیک را از طریق یک ماده ارسال می‌کنند و بازتاب‌ها را از ناپیوستگی‌ها اندازه‌گیری می‌کنند) می‌توانند نقص‌هایی را در داخل فلزات ریخته‌گری شده‌و اشیاء سنگی پیدا کنند و به این ترتیب امنیت سازه را با رفع آن نقیصه‌ها بهبود ببخشند.
پیزوالکتریک و جنگ دوم
در طول جنگ جهانی دوم، گروه‌های تحقیقاتی مستقل در ایالات متحده، اتحاد جماهیر شوروی و ژاپن دسته جدیدی از مواد مصنوعی به نام فروالکتریک‌ها را کشف کردند که ثابت‌های پیزوالکتریک آنها چندین برابر بیشتر از مواد طبیعی بود. این امر منجر به تحقیقات فشرده برای توسعه مواد تیتانات باریُم و بعداً تیتانات زیرکونات سرب، با خواص خاص برای کاربردهای خاص شد.
یک نمونه قابل توجه استفاده از کریستال‌های پیزوالکتریک، توسط آزمایشگاه‌های تلفن بل (Nokia Bell Labs) توسعه داده‌شد. پس از جنگ جهانی اول، فردریک آر. لِک، که در بخش تلفن رادیویی، مهندسی کار می‌کرد، کریستال “AT cut” را توسعه داد، کریستالی که در طیف وسیعی از دماها کار می‌کرد. کریستال لِک به لوازم جانبی سنگین کریستال‌های قبلی نیازی نداشت و استفاده از آن را در هواپیما تسهیل می‌کرد.
این پیشرفت به نیروهای هوایی متفقین اجازه داد تا از طریق استفاده از رادیوی هوانوردی در حملات گسترده هماهنگ شرکت کنند. توسعه دستگاه‌ها و مواد پیزوالکتریک در ایالات متحده، عمدتاً به دلیل آغاز این حوزه فناوری نوین در زمان جنگ و به منظور حفظ حق ثبت اختراع سودآور، در شرکت‌هایی که این توسعه را انجام می‌دادند، حفظ شد. مواد جدید اولین محصولاتی بودند که توسعه یافتند.
کریستال‌های کوارتز؛ یک شروع موفق
در آن موقع کریستال‌های کوارتز اولین ماده پیزوالکتریک مورد استفاده تجاری بودند. اما دانشمندان به دنبال مواد با کارایی بالاتر بودند. با وجود پیشرفت در مواد و بلوغ فرآیندهای تولید، بازار ایالات متحده البته به سرعت ژاپن رشد نکرد. تا جایی که بدون کاربردهای جدید روزمره، رشد صنعت پیزوالکتریک ایالات متحده مقداری آسیب دید. در مقابل، تولیدکنندگان ژاپنی اطلاعات خود را سخاوتمندانه به اشتراک گذاشتند و به سرعت بر چالش‌های فنی و تولیدی غلبه کردند و بازارهای جدیدی ایجاد کردند.
ژاپنی‌ها چه کردند!
در ژاپن، یک برش کریستالی پایدار در دما، توسط فردی سرمایه‌گذار و دانشمند به نام ایزاک کوگا (Issac Koga) توسعه داده‌شد. تلاش‌های ژاپنی‌ها در تحقیقات مواد، موادی پیزوسرامیکی را ایجاد کرد که با مواد ایالات متحده قابل رقابت بودند و در ضمن از محدودیت‌های ثبت اختراع گران‌قیمت رهایی یافتند. پیشرفت‌های عمده پیزوالکتریک ژاپنی شامل طرح‌های جدید فیلترهای پیزوسرامیکی برای رادیو و تلویزیون، زنگ‌های پیزو و مبدل‌های صوتی بودند که می‌توانستند مستقیماً به مدارهای الکترونیکی متصل شوند.
همچنین جرقه‌زن پیزوالکتریک که با فشرده‌سازی یک دیسک سرامیکی، جرقه‌هایی را برای سیستم‌های احتراق موتورهای کوچک و فندک‌های گازی ایجاد می‌کرد. در آن زمان‌ها مبدل‌های اولتراسونیک که امواج صوتی را از طریق هوا منتقل می‌کردند، به صورت محدود وجود داشتند. اما اولین کاربرد تجاری عمده آنها در کنترل از راه دور تلویزیون‌های اولیه بود. این مبدل‌ها اکنون به عنوان یک دستگاه مکان‌یابی صوتی بر روی مدل‌هایی از خودرو نصب شده‌اند و به راننده کمک می‌کند تا فاصله خودرو تا هر جسمی را که ممکن است در مسیر آن باشد، تعیین کند.
خوشبختانه طیف وسیعی از مواد، خاصیت پیزوالکتریک از خود نشان می‌دهند که در ادامه به مهم‌ترین آنها اشاره می‌کنیم
۱- کوارتز
2- لانگازیت ( La3Ga5SiO14 ) – یک کریستال مشابه کوارتز
3- ارتوفسفات گالیوم ( GaPO4 ) – یک کریستال مشابه کوارتز
4- نیوبات لیتیوم ( LiNbO3 )
5- تانتالات لیتیوم ( LiTaO3 )
6- برلینیت ( AlPO4 ) – یک کانی فسفات کمیاب که از نظر ساختاری با کوارتز یکسان است
7- نمک روشل
8- توپاز – توپاز یک کانی سیلیکات معدنی ساخته شده از آلومینیوم و فلوئور با فرمول شیمیایی Al2SiO4(F, OH)2 است
9- تیتانات سرب ( PbTiO3 ) – در طبیعت به عنوان ماسدونیت معدنی وجود دارد و برای تحقیقات و کاربردها آن را سنتز می‌کنند.
۱۰- تورمالین ( Tourmaline ) – تورمالین‌ها یک گروه معدنی سیلیکات کریستالی هستند که در آنها عنصر بور (بور یک عنصر شیمیایی است با نماد B و عدد اتمی ۵ . در شکل کریستالی، یک فلز شکننده، تیره و براق است. و در شکل غیر کریستالی به صورت پودری قهوه‌ای رنگ است) با عناصری مانند آلومینیوم، آهن، منیزیم، سدیم، لیتیوم یا پتاسیم ترکیب شده‌است. همچنین تورمالین‌ها به عنوان سنگ قیمتی و در رنگ‌های بسیار متنوعی وجود دارند.
کاربردهای پیزوالکتریک
اثر پیزوالکتریک تاکنون در بسیاری از کاربردهای مفید، از جمله تولید و تشخیص صدا، چاپ جوهرافشان پیزوالکتریک، تولید برق با ولتاژ بالا، به عنوان مولد ساعت در دستگاه‌های الکترونیکی، در ترازوهای کوچک، برای راه‌اندازی نازل اولتراسونیک و در فوکوس فوق‌العاده دقیق مجموعه‌های نوری، مورد استفاده‌قرار گرفته‌است.
این اثر، اساس میکروسکوپ “پروب روبشی” را نیز تشکیل می‌دهد، که می‌تواند حتی تصاویر را در مقیاس اتم‌ها تفکیک کند. از این اثر در پیکاپ برخی از گیتارهای تقویت‌شده‌الکترونیکی و به عنوان ماشه در اکثر درام‌های الکترونیکی مدرن استفاده‌می‌شود. اثر پیزوالکتریک همچنین کاربردهای روزمره‌ای مانند تولید جرقه برای روشن کردن اجاق‌های گازی پخت و پز و وسایل گرمایشی، مشعل‌ها و فندک‌های سیگار را دارد. در ادامه……….
کاهش ارتعاشات و سر و صدا
تیم‌های مختلفی از محققان در حال بررسی روش‌هایی برای کاهش ارتعاشات صوتی با اتصال عناصر پیزوالکتریک به ماده بوده‌اند. هنگامی که ماده در اثر ارتعاش در یک جهت خم می‌شود، سیستم کاهش ارتعاش به خم شدن پاسخ می‌دهد و نیروی الکتریکی را به عنصر پیزوالکتریک می‌فرستد تا در جهت عکس خم شود. انتظار می‌رود کاربردهای آینده این فناوری در خودروها و خانه‌ها برای کاهش قابل توجه سر و صدا و آلودگی صوتی باشد. کاربردهای بیشتر در سازه‌های انعطاف‌پذیر، مانند پوسته‌ها و صفحات، نیز نزدیک به سه دهه است که مورد مطالعه قرار گرفته‌است.
در نمایشگاه Material Vision در فرانکفورت در نوامبر ۲۰۰۵، تیمی از دانشگاه فنی “دارمشتات” در آلمان، چندین پنل را نشان دادند که با یک چکش لاستیکی ضربه خوردند، اما پنل که حاوی عنصر پیزوالکتریک بود بلافاصله از نوسان و ارتعاش ایستاد. فناوری فیبر سرامیکی پیزوالکتریک نیز به عنوان یک سیستم میرایی الکترونیکی در برخی از راکت‌های تنیس HEAD استفاده می‌شود.
درمان ناباروری
آزمایشات پزشکی نشان می‌دهند در افرادی که قبلاً شکست کامل لقاح طبیعی داشته‌اند، فعال‌سازی پیزوالکتریکی تخمک‌ها همراه با تزریق داخل سیتوپلاسمی اسپرم (ICSI) نتایج لقاح موفق را تا حد بالایی بهبود می‌بخشد.
پیزوالکتریک در عمل‌های جراحی
پیزوسرجری (Piezosurgery) یک تکنیک کم تهاجمی است که هدف آن برش بافت مریض و معیوب با آسیب کم به بافت‌های سالم مجاور است. به عنوان مثال، متخصصین جراحی از فرکانس‌هایی در محدوده ۲۵ تا ۲۹ کیلوهرتز استفاده می‌کنند تا باعث ایجاد ریزارتعاشات ۶۰ تا ۲۱۰ میکرومتری شوند. با این روش، توانایی برش بافت معدنی، بدون برش بافت عصبی، عروقی و سایر بافت‌های نرم به وجود می‌آید. در نتیجه، ناحیه جراحی، عاری از هر گونه خون‌ریزی اضافه، و با دید بهتر و دقت بیشتری باقی می‌ماند.
جذب انرژی ضربه و دستگاه‌های حسگر هوشمند
پیشرفت‌های اخیر در مواد پیزوالکتریک منجر به توسعه کامپوزیت‌های چندمنظوره شده است که محافظت مکانیکی را با قابلیت‌های حسگری ادغام می‌کنند. یکی از نوآوری‌های قابل توجه شامل رشد کریستال‌های نمک روشل (RS) در ساختارهای چاپ سه‌بعدی و الهام‌گرفته از طبیعت است. محققان از استخوان ماهی مرکب به عنوان مدلی برای طراحی چارچوب‌های متخلخل استفاده کرده‌اند که به دلیل ریزساختار حفره‌دار خود، سختی و جذب ضربه بالایی را فراهم می‌کند. با رشد کریستال‌های (RS) در داخل این ساختارها، کامپوزیت حاصل ضمن حفظ استحکام مکانیکی قابل توجه، به خواص پیزوالکتریک بهبود یافته‌ای دست می‌یابد.
این کامپوزیت‌های مبتنی بر (RS)، جذب انرژی ضربه قابل توجه و قابلیت‌های حسگری در زمان واقعی را نشان می‌دهند. تحت ضربات چرخه‌ای، آنها خروجی پیزوالکتریک پایدار را برای هزاران چرخه حفظ می‌کنند. چنین عملکردی امکان تشخیص بزرگی و محل ضربات را فراهم می‌کند و این ماده را برای کاربرد در تجهیزات محافظ پوشیدنی، از جمله زره‌های هوشمند برای ورزشکاران و دستگاه‌های تشخیص سقوط برای افراد مسن، مناسب می‌سازد.
یکی از ویژگی‌های متمایز این کامپوزیت‌ها، پایداری و قابلیت بازیافت آنهاست. کریستال‌های نمک روشل می‌توانند در ساختار حل شده و دوباره رشد کنند. و به این ترتیب مواد آسیب‌دیده‌قابل تعمیر هستند. نمونه‌های بازیافتی تا ۹۵٪ از عملکرد اولیه خود را حفظ می‌کنند. که به طور قابل توجهی طول عمر مواد را افزایش داده و استفاده سازگار با محیط زیست را ترویج می‌دهد. کاربردهای این فناوری فراتر از ورزش و دستگاه‌های پزشکی است و پتانسیل استفاده در هوافضا، زره‌های نظامی و سیستم‌های نظارت بر سلامت سازه‌ها را نیز دارد. این پیشرفت‌ها، تطبیق‌پذیری در حال تکامل مواد پیزوالکتریک را در فناوری مدرن برجسته می‌کند.
کاربردهای بالقوه در آینده
۱- در سال ۲۰۱۵، محققان دانشگاه کمبریج با همکاری محققان آزمایشگاه ملی فیزیک و شرکت آنتن دی‌الکتریک مستقر در کمبریج ( Antenova Ltd )، با استفاده از لایه‌های نازک مواد پیزوالکتریک دریافتند که در یک فرکانس خاص، این مواد نه تنها به تشدیدکننده‌هایی کارآمد، بلکه به رادیاتورهایی کارآمد نیز تبدیل می‌شوند. به این معنی که می‌توانند به طور بالقوه به عنوان آنتن مورد استفاده قرار گیرند. محققان دریافتند که با قرار دادن لایه‌های نازک پیزوالکتریک در معرض یک تحریک نامتقارن، تقارن سیستم به طور مشابه شکسته‌می‌شود. و منجر به شکست تقارن متناظر میدان الکتریکی و تولید تابش الکترومغناطیسی می‌شود.
۲- همچنین تلاش‌های متعددی از کاربرد فناوری پیزوالکتریک در مقیاس کلان برای برداشت انرژی جنبشی از عابران پیاده انجام شده‌است. در این مورد، مکان‌یابی مناطق پرترافیک برای بهینه‌سازی راندمان برداشت انرژی بسیار مهم است. همچنین جهت‌گیری، روسازی و کاشی‌کاری سطح به طور قابل توجهی بر میزان کل انرژی برداشت شده‌تأثیر می‌گذارد. در این روش، اندازه‌گیری جریان چگالی برای ارزیابی کیفی پتانسیل برداشت انرژی پیزوالکتریک منطقه مورد نظر بر اساس تعداد گذرگاه‌های عابر پیاده‌در واحد زمان محاسبه می‌شود.
۳- شرکت تایرسازی گودیر (Goodyear) قصد دارد تایری بسازد که برق تولید می‌کند. زیرا درون آن از مواد پیزوالکتریک استفاده‌شده‌است. یعنی با حرکت تایر و تغییر شکل مداوم آن برق تولید می‌شود.
منبع: پیزوالکتریسیتی
ویرایش و نگارش: کاروک
