Уоттс внутри

Aug 24, 2023

Пьезоэлектрический эффект — это удивительное явление, при котором некоторые материалы проявляют способность генерировать электрический заряд в ответ на механическое напряжение или деформацию и, наоборот, деформироваться под воздействием электрического поля. Это уникальное поведение возникает из-за расположения атомов внутри этих материалов, что создает асимметрию в структуре их кристаллической решетки. Когда к материалу прикладывается давление или деформация, это приводит к деформации решетки, генерируя электрические заряды на поверхности материала. Этот эффект был впервые обнаружен Жаком и Пьером Кюри в 1880 году, и с тех пор он нашел разнообразные применения в различных областях.

Эта технология применяется при разработке приводов для точного управления движением, датчиков для измерения давления, ускорения и вибрации, а также в акустических преобразователях, таких как микрофоны и ультразвуковые датчики. Кроме того, пьезоэлектрические материалы используются при сборе энергии для преобразования механических вибраций в электрическую энергию для портативных устройств. Это потенциально может обеспечить питание электронных устройств с низким энергопотреблением в отдаленных местах или даже носимых устройств, снижая зависимость от традиционных источников питания.

Уникальные свойства пьезоэлектрических материалов вызвали интерес к их использованию для питания имплантируемых медицинских устройств, чтобы устранить необходимость в традиционных батареях. Однако большинство этих материалов жесткие и хрупкие, и, что еще хуже, они часто содержат токсичные материалы, такие как свинец и кварц. Аминокислоты выделяются как биосовместимая альтернатива, но для проявления сильного пьезоэлектрического эффекта молекулы должны быть выровнены в правильной ориентации. Производство пленок аминокислот, ориентированных в одном направлении, на сегодняшний день оказалось слишком сложной задачей.

Новая технология, разработанная исследователями Гонконгского университета науки и технологий, вскоре может позволить производить биосовместимые и биоразлагаемые медицинские устройства. Они продемонстрировали, что их методы позволяют создавать самоорганизующиеся тонкие слои аминокислот с упорядоченной ориентацией, покрывающие большую площадь поверхности. Эти тонкие пленки обладают сильным пьезоэлектрическим эффектом, который можно использовать для выработки электричества за счет растяжения мышц, дыхания, кровотока и других движений тела. В будущем эти листы могут использоваться в кардиостимуляторах, биосенсорах и других устройствах. А когда работа будет сделана, они могут спокойно раствориться.

В ходе своих исследований команда обнаружила, что аминокислота β-глицин обладает исключительно сильным пьезоэлектрическим откликом. Таким образом, они изготовили нанокристаллические пленки этой аминокислоты с помощью биоорганического пленочного принтера, используя метод электрогидродинамического распыления. Во время распыления между наконечником сопла и проводящей опорой создается электрическое поле, способствующее образованию нано-микрокапель. Из-за крошечного размера нано-микрокапель вода испаряется очень быстро. А это, в свою очередь, служит для последовательной ориентации молекул β-глицина в образующейся биомолекулярной пленке.

Один из исследователей, возглавляющих работу, отметил, что их «исследование показывает одинаково высокий пьезоэлектрический отклик и превосходную термостабильность по всей пленке β-глицина. Отличные выходные характеристики, естественная биосовместимость и биоразлагаемость нанокристаллических пленок β-глицина имеют практическое значение для высокопроизводительных переходных биологических электромеханических приложений, таких как имплантируемые биосенсоры, источники питания для беспроводной зарядки биорезорбируемой электроники, интеллектуальные чипы и другие биомедицинские инженерные цели. ».

В настоящее время команда продолжает совершенствовать свои методы в надежде сделать пленки такими же гибкими, как естественные биологические ткани. Они также исследуют способы достижения недорогого массового производства фильмов. После того, как эти цели будут достигнуты, они намерены провести эксперименты на животных моделях, чтобы показать потенциал новой технологии для питания имплантируемых медицинских устройств.