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宾大联合西安交大发布透明发电晶体，隐形机器人诞生有望

百家作者：大数据文摘 2020-02-08 09:04:04

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来源：sciencemag

编译：lin

数十年来，科学家在超声波医学成像中使用到了压电技术，所谓压电技术就是用电击打某些晶体材料，它们会改变形状。挤压它们的时候，会感受到震动。这些材料非常敏感，以至于它们可以检测穿过组织传播的声波的运动。

如今，研究人员想出了一种简单的新方法来制造有效的透明压电材料，这可能会引发改进版医学成像仪，隐形机器人以及能为自身供电的触摸屏的出现。

压电材料可由无数微小的微晶组成，也可由多种材料（包括陶瓷和聚合物）构成的单晶组成。在这两种情况下，原子的混合都将自己排列成一个简单的晶体单元（通常是少数几个原子的大小），并不断重复。在每个构建基块的内部，原子排列在所谓的电偶极子中，一侧带有更多的正电荷，而另一侧带有更多的负电荷。

向这些材料施加压力可以巧妙地改变原子的位置，足以重新排列电荷并产生电压。施加电压则相反，迫使材料在一个方向上膨胀而在另一个方向上收缩。

宾夕法尼亚州立大学分校的生物医学工程师Sri-Rajasekhar Kothapalli说，这使得压电材料在各种应用中极为有用。他指出，从点烟器，烧烤上的按钮式点火开关到扫描力显微镜上的精密电机，压电设备都是他们中的一个组成部分。

它们对于光声成像也很重要，光声成像使用一种称为换能器的压电装置来检测软组织在吸收来自激光的光时发出的超声波。从血红蛋白到黑色素，不同分子吸收不同的频率，因此医生可以对多种组织进行成像以检测健康问题。但是，不透明的换能器会投射出轻微的阴影，这意味着直接在它们下面的组织无法成像。为了解决这个问题，研究人员使用透明压电材料制造了换能器，但到目前为止，这些材料还是太弱了，无法解决所有成像挑战。

几年前，日本的研究人员提出了一种更好的制造透明压电材料的方法。他们选择的材料是铌酸铅镁钛酸铅（PMN-PT），是一种铁电体，自然地带有电偶极子。以前，研究人员通过将这些材料暴露于直流电（由电池制造）中，从而将其转变为压电材料。但是，日本团队发现，将它们暴露于交流电（家庭和企业使用的交流电）会产生更强的压电性。宾夕法尼亚州立大学计算材料科学家陈龙庆说：“这就像来回摇动晶体。” 日本团队在2011年的一项专利中指出，这种摇动可能会使晶体的压电性提高一倍。

陈龙庆教授

在这项新研究中，陈的研究小组与西安交通大学电子材料专家李飞的研究小组合作对成果进行了复制。最初，他们只看到PMN-PT的压电值上升了20％至40％。 “那也是很多的了”，陈说。但是，通过使用计算机模拟，他们能够整理出一套如何通过交流场提高材料的压电性能的规则。

通常，PMN-PT是不透明的，因为分开的偶极子组会在所有方向上散射光。陈的研究小组在今天的《自然》杂志上报告说，利用他们的交流电，他们可以使偶极子对齐排列，并在加热和抛光的帮助下，将材料变成透明的，并使其压电力比普通的透明压电强50倍。

这个改善的性能可能会引发出更灵敏的光声成像设备，这可以帮助医生进行从乳腺癌和黑素瘤检测到跟踪血流以治疗血管疾病的一切工作，Kothapalli说。陈和他的同事报告说，这一进展还可能激发隐形机器人的透明驱动器，以及触碰时自动供电的屏幕。

得克萨斯大学圣安东尼奥分校的专家Amar Bhalla（本人不在该研究项目中）表示，这项工作还可以降低各种压电器件的成本。通常，最好的设备由单晶材料制成。但是，Bhalla说：“单晶很难生产且昂贵。”新的交流技术使研究人员能够从廉价且易于制造的多晶材料中产生出高质量的压电材料。这可能会给一个已经蓬勃发展的行业带来冲击。