Stosowanie nietoksycznych materiałów alternatywnych w dziedzinie zdrowia i bezpieczeństwa
Obrazowanie i terapia ultradźwiękowa z zastosowaniem urządzeń piezoelektrycznych umożliwia ratowanie tysięcy istnień ludzkich i leczenie wielu chorób. Narzędzia te optymalizują liniową elektromechaniczną interakcję wynikającą ze stanu mechanicznego i elektrycznego generowanego przez materiały krystaliczne. KNbO3 to nieorganiczny kryształ stosowany zwykle do podwajania częstotliwości wiązki laserowej niskiej i średniej mocy. Niedawno odkryte właściwości możliwe dzięki modyfikacji KNbO3 są obiecujące w przypadku wielu urządzeń piezoelektrycznych, a zwłaszcza przetworników ultradźwiękowych o zastosowaniu medycznym i przemysłowym. Jednakże wysokie koszty produkcji utrudniały dotychczas komercyjne wykorzystanie tych kombinacji kryształów. Projekt "Niedrogie, wysokowydajne, bezołowiowe kryształy piezoelektryczne i ich zastosowanie w przetwornikach do ultradźwiękowych narzędzi oraz wyposażenia diagnostyki medycznej i przemysłowej" (Immediate) przedstawia działania Europy na rzecz znalezienia alternatywnych rozwiązań bezołowiowych dla materiałów piezoelektrycznych używanych w wielu urządzeniach medycznych i przemysłowych, a także do innych zastosowań. W ramach projektu finansowanego ze środków UE zajęto się możliwościami zastosowania przetworników na bazie czystego i modyfikowanego KNbO3 na potrzeby małych i średnich firm (MŚP) oraz redukcją kosztów produkcji. Partnerzy projektu stworzyli elementy piezoelektryczne na bazie KNbO3 o strukturze jednodomenowej i zmodyfikowanej poprzez opracowanie i zbadanie warunków wzrostu kryształu, wybór podłoża oraz matrycy użytej do wzrostu. Kryształy KN zostały wykorzystane do skonstruowania sond dopplerowskich do pomiarów przezczaszkowych szybkości przepływu krwi w naczyniach mózgowych. Aby przezwyciężyć problem elektrycznej impedancji lub niedopasowania, zastosowano kompensację elektryczną i okazało się, że sondy działają skuteczniej niż te, w których zastosowano przetworniki na bazie ołowiu. Ponadto udało się znacznie obniżyć koszty produkcji kryształów oraz znaleźć dogodniejsze rozwiązanie dla zastosowań o niskiej częstotliwości z użyciem materiałów bezołowiowych. Ostatni cel udało się zrealizować dzięki opracowaniu ceramiki i kryształów o zmodyfikowanym składzie. Wykorzystano metodę wzrostu pojedynczego kryształu z substancji w stanie stałym (SSCG) w celu ograniczenia kosztów produkcji kryształów KN. Działania w tym kierunku skupiły się na opracowaniu metody wzrostu kryształów o domenie zmodyfikowanej z roztworu z zarodkiem wprowadzanym od góry (TSSG) do wykorzystania w prototypach. Badaczom udało się wykazać, że tę technikę można wykorzystać do rozpoznawczego wzrostu pojedynczych kryształów z materiałów zawierających KN, w przypadku których hodowla przy użyciu standardowych metod jest utrudniona. Zespół projektu wytworzył i przetestował prototypy do wszystkich planowanych zastosowań, pokazując, że obrabialność ceramiki jest doskonała i umożliwia produkcję małych elementów do przetworników kompozytowych. Choć nie zoptymalizowano procesu przed zakończeniem projektu, udało się przenieść produkcję z poziomu laboratorium do poziomu przemysłowego. Wybrane wyniki zaprezentowano podczas międzynarodowych konferencji oraz opublikowano w czasopismach naukowych. Wyniki projektu mogą znacząco wpłynąć na szerokie spektrum zastosowań piezoelektrycznych oraz zapewnić MŚP dużą przewagę w stosunku do konkurencji. Wprowadzenie tak radykalnie nowej techniki przetwarzania może posłużyć do udoskonalenia urządzeń w dziedzinie zdrowia i bezpieczeństwa, zapewniając wartość dodaną, dzięki temu, że są one przyjazne dla środowiska.