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Brechen von Kristallsymmetrien auf der Suche nach Piezoelektrizität

Von der EU unterstützte Forschende haben umweltfreundlicheren Materialien zur Verwendung in zukünftigen elektromechanischen Geräten den Weg geebnet, indem sie eine neue Möglichkeit fanden, den piezoelektrischen Effekt in Werkstoffen zu induzieren, die gemeinhin nicht als piezoelektrisch gelten.

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Piezoelektrizität ist weitaus leichter zu verstehen, als es den Anschein hat. Es handelt sich dabei um den Prozess, Kristalle zu verwenden, um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln oder umgekehrt. Dieses Verfahren kommt in zahlreichen alltäglichen Geräten wie Quarzuhren, Grammophonen, Mikrowellen und Lautsprechern zum Einsatz. Das Konzept der Piezoelektrizität mag zwar einfach sein, jedoch gestaltet sich die Suche nach piezoelektrischen Materialien weitaus schwieriger, was seit über einem Jahrhundert ein erhebliches Hindernis darstellt. Die Forschenden fanden mit Unterstützung der EU-finanzierten Projekte BioWings und ESTEEM3 eine Möglichkeit, einen piezoelektrischen Effekt in Werkstoffen hervorzurufen, die gemeinhin nicht als piezoelektrisch gelten. Ihre in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlichten Ergebnisse könnten einer Vielzahl umweltfreundlicher und biokompatibler elektromechanischer Materialien den Weg ebnen. Damit ein Material piezoelektrisch aktiviert werden kann, muss nur eine einzige grundlegende Voraussetzung gegeben sein: Seine Kristallstruktur darf über kein Symmetriezentrum verfügen. Wenn Druck auf eine nicht zentrosymmetrische Kristallstruktur ausgeübt wird, verformt sie sich und ihre Atome werden umsortiert, sodass der Kristall elektrischen Strom leiten kann. Wegen dieser Eigenschaft sind piezoelektrische Materialien für viele Sensorikanwendungen besonders attraktiv. Das bekannteste piezoelektrische Material ist der Quarzkristall. In mikroelektromechanischen Systemen müssen jedoch andere Werkstoffe verwendet werden als natürlicher Quarz. Diese Materialien enthalten oft schädliches Blei in Form von Blei-Zirkonat-Titanat. Die Forschung konzentrierte sich auf die Entwicklung neuer mikroelektromechanischer Systeme, die aus dünnen, bleifreien Schichten auf Basis von mit Gadolinium dotierten Oxid-Materialien bestehen. „Es sind bereits zahlreiche mikroelektromechanische Systeme verfügbar, jedoch bestehen sie oft zum Teil aus bleihaltigen Materialien, sodass sie sich nicht für Implantate für den Menschen eignen. Das Projekt BioWings zielte auf die Entwicklung biokompatibler Werkstoffe ab, deren Eigenschaften denen häufiger bleihaltiger Werkstoffe ähneln, aber kein Blei oder andere schädlichen Materialien enthalten“, so Prof. Nini Pryds von der Technischen Universität Dänemark, Mitautor der Studie und Projektkoordinator von BioWings, in einer Pressemitteilung auf „EurekAlert!“.

Piezoelektrizität in zentrosymmetrischen Materialien

In ihrer Studie beschrieben die Forschenden, wie es ihnen gelang, erhebliche und nachhaltige piezoelektrische Effekte in zentrosymmetrischen Kristallen zu induzieren – Materialien, die normalerweise nicht für solche Vorgänge geeignet sind. Sie erzeugten Piezoelektrizität durch die gleichzeitige Anwendung von Wechsel- und Gleichstrom, was dazu führte, dass sich die Sauerstoff-Fehlstellen im Material umbildeten und es zu einer Polarisierung kam. Dieser Vorgang brach die Kristallsymmetrie des Materials und erzeugte den heiß begehrten piezoelektrischen Effekt. Das Forschungsteam schaffte die Grundlage für die Entwicklung bleifreier, ungiftiger piezoelektrischer Werkstoffe, indem es belegte, dass der piezoelektrische Effekt in Materialien erzeugt werden kann, die sonst nicht piezoelektrisch sind. „Diese neue Entwicklung stellt einen grundlegenden Schritt in Richtung umweltfreundlicher piezoelektrischer Materialien mit hervorragender Leistung in der praktischen Anwendung, z. B. in Fahrzeugen und der Medizin dar“, fährt Prof. Pryds fort. Die aktuelle Notwendigkeit piezoelektrischer Materialien, eine nicht zentrosymmetrische Kristallstruktur aufzuweisen, schränkt die Auswahl an Werkstoffen, die in modernen Geräten eingesetzt werden können, erheblich ein. Prof. Pryds ist der Auffassung, dass die Ergebnisse des Projekts „einen Paradigmenwechsel in Richtung der Induktion von Piezoelektrizität in zentrosymmetrischen Kristallen möglich machen und so die Anzahl der verwendbaren Materialien ausweiten werden.“ Er schließt mit den Worten: „Ich gehe davon aus, dass damit erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung neuer elektromechanischer Geräte aus neuen biokompatiblen Materialien einhergehen.“ BioWings (Bio-compatible electrostrictive smart materials for future generation of medical micro-electro-mechanical systems) endet im Mai 2022, ESTEEM3 (Enabling Science and Technology through European Electron Microscopy) endet im Juni 2023. Weitere Informationen: BioWings-Projektwebsite ESTEEM3-Projektwebsite

Schlüsselbegriffe

BioWings, ESTEEM3, Piezoelektrizität, piezoelektrisch, Gadolinium, zentrosymmetrisch, Kristall, Blei