Giftfreie Alternativen für Gesundheits- und Sicherheitsanwendungen
Dank Ultraschallbildgebung und Therapien, bei denen piezoelektrische Bauelemente verwendet werden, konnte schon Tausenden das Leben gerettet und konnten tückische Krankheiten geheilt werden. Diese Werkzeuge optimieren die lineare elektromechanische Wechselwirkung, die aus den von kristallinen Materialien erzeugten mechanischen und elektrischen Zuständen resultieren. Kaliumniobat - KNbO3 - ist ein anorganischer Kristall, der normalerweise bei Lasern geringer und mittlerer Leistung zur Frequenzverdopplung verwendet wird. An KNbO3-Modifikationen neu entdeckte Eigenschaften scheinen für eine Vielzahl piezoelektrischer Bauelemente - insbesondere medizinische und industrielle Ultraschallwandler - recht vielversprechend zu sein. Aufgrund der hohen Produktionskosten war bisher jedoch eine kommerzielle Nutzung dieser Kristallkombinationen unerschwinglich. Im Immediate-Projekt ("Inexpensive, high-performance, lead-free piezoelectric crystals and their applications in transducers for ultrasonic medical diagnostic and industrial tools and equipments") widerspiegeln sich die europäischen Bemühungen um alternative bleifreie Lösungen für die piezoelektrischen Materialien, die in vielen medizinischen und industriellen Geräten und anderen Anwendungsfällen eingesetzt werden. Das EU-finanzierte Projekt widmete sich sowohl der Frage der Anwendbarkeit von Wandlern auf Grundlage von reinem und modifiziertem KNbO3 für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) als auch der Reduzierung der Herstellungskosten. Die Projektpartner entwickelten piezoelektrische Elemente auf Basis von Monodomänen- und in den Domänen verändertem KNbO3, indem Kristallwachstumsbedingungen, Substratwahl und die zum Wachstum verwendete Matrix untersucht und erforscht wurden. Es kamen Kaliumniobatkristalle zum Einsatz, um Dopplersonden für transkranielle Messungen der Hirndurchblutungsgeschwindigkeit zu bauen. Die elektrische Kompensation zur Überwindung des Problems der elektrischen Impedanz oder Fehlanpassung ergab Sonden mit einer Leistung, die der von Sonden mit bleihaltigen Wandlern überlegen war. Es konnte eine signifikante Senkung der Fertigungskosten der Kristalle erreicht werden. Und es wurde eine bequemere Lösung für niederfrequente Anwendungen mit bleifreien Materialien gefunden. Letzteres konnte durch die Entwicklung von Keramiken und Kristallen mit modifizierten Zusammensetzungen realisiert werden. Man setzte ein Verfahren zur Einkristallzucht im festen Zustand (solid-state single crystal growth, SSCG) ein, um die Kosten für die Herstellung von Kaliumniobatkristallen zu reduzieren. Man konzentrierte sich zu diesem Zweck auf die Entwickung von in der kristallografischen Orientierung - den Domänen - beeinflussten Kristallen, gezüchtet aus einer Lösung (top-seeded solution growth, TSSG), die für den Einsatz bei Prototypen bestimmt waren. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass dieses Verfahren zu einer der Forschung dienenden Zucht von Einkristallen aus Kaliumniobat-basierten Materialien einsetzbar ist, die ansonsten - unter Verwendung der Standardmethoden - nur auf problematische Weise gezüchtet werden können. Die Teammitglieder fertigten und testeten Prototypen für alle vorgesehenen Anwendungen. Es ergab sich eine exzellente maschinelle Bearbeitbarkeit der Keramik. Eine Produktion von kleinen Elementen für Kompositwandler liegt somit im Bereich des Möglichen. Eine Ausweitung der Produktion aus dem Labor auf industrielles Niveau konnte ebenfalls erreicht werden, wenn diese auch vor Abschluss des Projekts noch nicht optimiert werden konnte. Ausgewählte Ergebnisse wurden auf internationalen Konferenzen vorgestellt sowie in wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht. Die Projektresultate haben das Potenzial, das breite Spektrum piezoelektrischer Anwendungen maßgeblich zu beeinflussen sowie kleine und mittlere Unternehmen spitzentechnologisch nach vorn zu bringen. Die Einführung eines derart radikal neuen Verarbeitungsverfahrens birgt die Chance, Verbesserungen bei Gesundheits- und Sicherheitstechnik durchzusetzen, die außerdem aufgrund der umweltfreundlichen Beschaffenheit über zusätzlichen Wert verfügen.
