Neues hocheffizientes Material verwandelt Bewegung in Strom - ohne giftiges Blei
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Wissenschaftler haben ein neues Material entwickelt, das Bewegung mit größerer Effizienz und ohne Verwendung von giftigem Blei in Elektrizität (Piezoelektrizität) umwandelt und damit den Weg für eine neue Generation von Geräten des täglichen Lebens ebnet.
Von links: Dr. Benjamin M. Gallant, Dr. Dominik J. Kubicki und Dr. Shrestha Banerjee vor einem Festkörper-NMR-Gerät im Gebäude für Molekularwissenschaften an der Universität Birmingham.
University of Birmingham/University of Oxford
Forscher der University of Birmingham, der University of Oxford und der University of Bristol haben ihre Entdeckung heute (26. November) im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht und beschreiben ein Material, das sowohl langlebig als auch bewegungsempfindlich ist und damit Möglichkeiten für eine Vielzahl innovativer Geräte wie Sensoren, tragbare Elektronik und selbstversorgte Geräte eröffnet.
Das neue weiche Hybridmaterial basiert auf Bismutjodid, einem anorganischen Salz mit geringer Toxizität, und kann es mit der Leistung herkömmlicher Keramik auf Bleibasis aufnehmen, ist aber weniger toxisch und leichter zu verarbeiten. Im Vergleich zu bestehenden Hochleistungsalternativen wie PZT (Blei-Zirkonat-Titanat), das zu 60 % aus Blei besteht, enthält es kein Blei und kann bei Raumtemperatur und nicht bei 1000 °C hergestellt werden.
Piezoelektrische Materialien erzeugen elektrische Ladung, wenn sie gedrückt oder gebogen werden, und können sich auch verformen, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Sie sind von grundlegender Bedeutung für Technologien, die von Präzisionsaktuatoren - die in Produkten wie dem Autofokus von Kameras und Pumpen von Tintenstrahldruckern verwendet werden - bis hin zu energiespeichernden Sensoren reichen, die in tragbaren Technologien wie Fitness-Trackern, intelligenter Kleidung und Airbag-Systemen in Autos eingebaut werden.
Die Hauptautorin Dr. Esther Hung von der Fakultät für Physik der Universität Oxford, die die Forschung leitete, sagte: "Durch die Feinabstimmung der Wechselwirkungen zwischen den organischen und anorganischen Komponenten konnten wir eine empfindliche strukturelle Instabilität erzeugen, die die Symmetrie auf genau die richtige Weise bricht.
"Dieses Wechselspiel zwischen Ordnung und Unordnung verleiht dem Material seine außergewöhnliche piezoelektrische Reaktion. Es ist ein anderer Ansatz für die Piezoelektrizität als bei herkömmlichen Materialien wie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), und das ist es, was zu diesen großen Verbesserungen geführt hat".
Der weltweite Markt für piezoelektrische Materialien hat einen Wert von über 35 Milliarden Dollar und wächst weiterhin schnell - angetrieben durch die Nachfrage in den Bereichen Automobil, Gesundheitswesen, Robotik und Unterhaltungselektronik, wo Geräte, die Bewegung in Elektrizität oder präzise Bewegungen umwandeln, unerlässlich sind.
Forscher an der Universität Birmingham nutzten die Einkristall-Röntgenbeugung und die magnetische Festkörperresonanz (NMR), um das Verhalten des Materials zu verstehen. Sie fanden heraus, dass die Art und Weise, wie organische und anorganische Teile durch Halogenbindungen aneinander haften, genutzt werden kann, um den Zeitpunkt und die Art und Weise, wie das Material seine Struktur ändert, zu verändern und die piezoelektrische Leistung zu verbessern. Dieses Verständnis könnte auch für die Verbesserung der piezoelektrischen Leistung anderer Materialien nützlich sein, die organische und anorganische Elemente kombinieren.
Dr. Benjamin Gallant von der University of Birmingham, der die NMR-Studie leitete, sagte: "Als Nachwuchswissenschaftler ist es aufregend, an einer Forschung mitzuwirken, die das Potenzial hat, unsere Gesellschaft zu verändern - fast jedes Gerät, das wir im Alltag benutzen, enthält Piezoelemente".
Die Forschungsarbeiten wurden gemeinsam von Professor Henry Snaith (Oxford), Dr. Harry Sansom (Bristol) und Dr. Dominik Kubicki (Birmingham) geleitet, die ihr Fachwissen über neue Materialien, Kristalldesign und die Charakterisierung von Strukturen auf atomarer Ebene einbringen.
Dr. Dominik Kubicki von der Universität Birmingham sagte: "Mit einer Leistung, die mit der kommerzieller Piezoelektrika vergleichbar ist, aber aus ungiftigem Wismut hergestellt wird, ist diese Entdeckung ein neuer Weg zu umweltfreundlichen Technologien, die Sensoren, medizinische Implantate und flexible Elektronik der Zukunft antreiben können."
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