Українські науковці намагаються перетворити звичайні пасивні матеріали на активні, з якими можна «поспілкуватися». Подібні дослідження проводить доктор хімічних наук, професор Вадим Приседський, який живе в Донецьку і працює в Донецькому національному технічному університеті. Він розповів, що таке п’єзоелектрики та як з їхньою допомогою можна «розговорити» речі.
Історія п’єзоелектриків
П’єзоелектрики – це речовини, які реагують на механічний тиск. Якщо здавити такий п’єзоелектрик, то на його поверхні з’явиться електричний заряд, який можна потім використовувати. Механічний тиск перетвориться на електричний сигнал. Існує і зворотний п’єзоефект – коли електричний сигнал, прикладений до електродів зразка, перетворюється на механічну деформацію. Саме це і дозволяє застосовувати п’єзоелектрики в багатьох прикладних завданнях.
П’єзоефект відкрили брати П’єр і Жак Кюрі на кристалі кварцу. Проте нині частіше застосовуються керамічні п’єзоматеріали – вони складаються з величезної кількості мікроскопічних зерняток. Кожне зернятко – це окремий кристал зі своїм порядком кристалічної решітки. У сусідньому зерні вже інша орієнтація решітки. За хімічним складом – це складні оксиди, найчастіше – цирконат-титанат свинцю або титанат барію.
Практична користь
До розпаду Радянського Союзу Приседський з колегами велику увагу приділяв п’єзоматеріалам для сонарів – це «очі» й «вуха» підводних човнів. Вони випромінюють і приймають гідроакустичні імпульси. До речі, так само спілкуються дельфіни, кити й інші морські тварини. Ці імпульси відбиваються, ловляться, і можна визначити, де розташований об’єкт, та отримати іншу інформацію.
Існує величезний діапазон інших застосувань: мікрофони й гучномовці, слухові апарати й сейсмоприймачі, п’єзозапальнички та електричні детонатори, п’єзоскальпелі, датчики прискорення й тиску газу або рідини. А ще це такі елементи електричних та електронних схем, як мініатюрні п’єзотрансформатори, електричні фільтри або лінії затримки сигналів.
Крім того, є ще п’єзодвигуни. Якщо подати на такий напругу необхідної величини і частоти, вийде обертовий ротор або рухомий штовхач. Перевага в тому, що ця робота дуже дозована. Це може бути ультрамікроскопічне переміщення. На цій основі створюються п’єзопозиціонери. Наприклад, на космічному телескопі «Хаббл» п’єзоелемент здійснює дуже тонку і точну переорієнтацію об’єктива в межах часток кутової секунди. П’єзопозиціонер управляє зміщенням зонда сучасного атомно-силового мікроскопа, здатного не тільки бачити окремі атоми, але і переміщати, маніпулювати ними.
Чим займаються українські вчені зараз
Приседський з колегами зараз займається більше теоретичними питаннями, але значну частину часу доводиться проводити в колективі для конкретних прикладних розробок. Правда, каже він, у воєнний час на Донбасі такі розробки призупинилися.
Найбільша активність у цій сфері була за радянських часів. На жаль, те, що робилося в Україні, за масштабом на рівень нижче, ніж те, що було в Союзі. Виробництво проводили не для великих заводів, а для окремих фірм, серед яких і приватні. Кафедра загальної хімії Донецького НТУ, яку очолює Приседський, тісно працювала з Науково-технологічним центром НАН України «Реактивелектрон».
Спільно вони розробили п’єзокераміку для прослуховування акустичних сигналів у шахтах. Коли вугільний пласт готується викинути метан, він починає поскрипувати. П’єзоелементи в пристроях під назвою «АПСС-1» донецької фірми «Інтеграл» ловлять цей сигнал. Ці пристрої розміром з «пальчикову» батарейку розміщуються в проходках і сигналізують про підвищення небезпеки викиду газу. Із кінця 1990-х і до 2012-го такі пристрої встановлено на 18 шахтах.
Дніпропетровська фірма «Курс» випускає новий тип газових лічильників. Там немає обертового барабанчика, який рахує об’єм газу. Замість цього пускається ультразвук – у прямому напрямку протікання газу й у зворотному. За різницею часу проходження визначають величину газового потоку. Цей компактний пристрій працює з найширшим діапазоном умов, і його можна використовувати там, де звичайний лічильник з «вертушкою» вийде з ладу.
Науковці також постачали п’єзокераміку для медичних пристроїв лазерної та ультразвукової терапії. Замовниками були київська фірма «Аппамед» і завод «Квант». Сотні п’єзоелементів науковці відправили за окремими замовленнями приватних підприємств і дослідницьких організацій.
За матеріалами: BBC Україна
