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2018
02-09

用于超声波的智能材料表现类似于水


在宾夕法尼亚大学的研究人员团队正在获取对超声技术中使用的智能材料的新的见解。在形成迄今为止这些材料如何工作的最彻底的模型的同时,他们发现与水的行为有惊人的相似之处。

这项研究发表在自然,由 领导,艺术与设计学院布兰卡德化学教授Andrew M. Rappe,工程与应用科学学院材料科学与工程系教授,博士后化学系竹中博之。宾州研究专家伊利亚·格林伯格(Ilya Grinberg)和校友石柳(Shi Liu)也为这项研究做出了贡献。

这个研究小组的研究人员对材料如何与能量相互作用,利用和转换能量成不同的形式感兴趣。在这项研究中,他们正在研究称为压电的智能材料的行为,即机械能和电能的交换。

研究人员发现,随着温度的降低和偶极子的相互寻找并形成极性纳米区域,这些区域实际上并没有变大,反而变得更为彻底。

在压电性中,向材料施加电场使其内的偶极子重新定向;这是材料功能的关键。

“你可以想象有一个氧原子笼,”拉普说,“中间有一个正离子。如果它坐在笼子的中间,那么就没有偶极子,但如果它偏离中心,那么就有一个偶极子。这些偶极子的重新排列是导致这些聪明的材料特性的原因。“

当正离子离开中心时,围绕它们的离子的笼子以协同的方式收缩或伸长,导致材料改变形状。

在超声波设备中,提供电压使得材料变形或振动,并且这些振动进入人体并回响。压电材料也用于声纳,使仪器在水下看到。

最近,一组材料被发现,科学家相信给予更高的压电性能比以前的。但拉普说,从根本上说,人们不明白为什么这些材料和他们做的一样好。 “

”如果你不知道它为什么起作用,那么你怎么可能对其进行逆向工程,并达到一个新的水平?“他说。

研究人员经常使用理论和建模来研究智能材料。他们有一个想法,他们如何认为一个系统的工作原理,可以通过求解一些方程来描述一个实际的材料在做什么。 Rappe说:“我们经常做的一件事是解决量子力学的方程式,因为量子力学被认为是电子行为的精确模型。 “电子是把核子聚集在一起的粘合剂。如果你知道它们是如何表现的,那么你知道什么决定了债券何时破裂和形成,等等。“

a,研究人员利用分子动力学快照创建了一个弛豫结构模型,用于压电材料中的相变。 b-e,从压电材料的四个阶段的分子动力学模拟获得的漫散射图案。他说,一个令人兴奋的发展是超越研究人员能够承受量子力学的能力,并建立机械模型,给他们一个更近似的方式来处理固体中的键,同时也允许他们模拟有限的温度,更大量的材料和更长的时间。 Rappe说:“这使我们能够观察需要很长时间才能发生的行为,或者只发生在材料的深处,这给了我们对复杂行为的独特看法。”

虽然其他实验已经探测到了这种材料,并且一些理论模型已经揭示了它的某些方面,但宾夕大学的研究人员现在已经提供了迄今为止这种材料如何工作的最全面的模型。

此前,科学家们认为,在更高的温度下,它是“自己的每个偶极子”,使得它们很容易响应电场等外部刺激。

随着材料冷却, 偶极子聚集成极性纳米区域。随着这些地区的规模越来越大,它们变得越来越迟钝,越来越难以应对。

在这篇新论文中,研究人员表明,在较高的温度下,偶极子实际上是随着温度冷却而偶然浮动的,而偶极子相互发现并形成这些极性纳米区域时,这些区域实际上并不变大,变得更加彻底的一致。

这导致了在分离不同排列的补丁的材料内域壁的诞生。偶极区域之间的这些畴壁导致材料中的压电性能增强。

这与水中的相似行为相呼应,其中温度越低,偶极子变得越相关,但是相关性不能保持在更远的距离。

“他们从来没有完全一致,”拉普说。 “附近的水偶极子可能会越来越一致,但由于氢键有一定的固有尺寸超过它不会增长。”

压电材料是许多行业中使用的传感器,执行器和传感器的重要组成部分。对工作原理缺乏了解,导致质量提高。本文提供了一个新的认识,他们如何运作,揭示与水的行为相似之处。

更完整地了解这些材料为什么表现如此,可以解锁新材料设计,从而产生更高质量的压电材料,从而使智能材料应用发生革命性的变化。 “Rappe说:”能够在有限的温度下从单个电子到数百万个原子建立一个模型,并观察复杂的性质,令人兴奋的是,观察这些复杂的性质给我们提供了新的生产方向,增强材料,将更有效地转换能源为有用的设备,以帮助人。“

本研究由海军研究办公室资助N00014-12-1-1033。美国国防部通过高性能计算现代化办公室的挑战赠款提供了计算支持。

来源:宾夕法尼亚大学