Những vật liệu mới thông minh-Phần 2
Những vật liệu được kích hoạt điện: Các phẩm
mầu thông minh
Một loạt mở rộng các công nghệ đã được nghiên cứu
với việc sử dụng các vật liệu áp điện thông minh.
Hiệu ứng áp điện trực tiếp, còn được gọi là hiệu ứng
áp điện đơn giản, là khả năng của những vật liệu nhất
định – các khoáng vật, các vật liệu gốm và một số
polyme – tạo ra điện tích tương ứng với áp lực cơ học
tác động lên chúng. Cũng có thể quan sát thấy hiệu
ứng nghịch – sự biến dạng của các vật liệu áp điện
trong điện trường bên ngoài.
Hiệu ứng áp điện thuận đã được hai anh em Pier và
Jack Curie phát hiện năm 1880. Họ đã chú ý tới hiện
tượng, khi nén một tấm được cắt ra thu được sự định
hướng ảnh tinh thể nhất định từ tinh thể thạch anh, đã
gây ra sự tạo thành điện tích trên các mặt vuông góc
với hướng nén: điện tích dương trên một mặt, và điện
tích âm trên mặt kia. Khi kéo phiến tinh thể cũng xảy
ra sự tạo thành các điện tích, nhưng nếu điện tích trên
một mặt nào đó khi nén đã là âm, thì điện tích trên
mặt đó khi kéo lại là dương và ngược lại. Hiệu ứng
áp điện thuận xuất hiện trong trường hợp, khi mà
biến dạng đàn hồi của vật rắn xảy ra kèm theo sự xê
dịch phi đối xứng phân bố các điện tích dương và âm,
các ngẫu cực hay các nhóm ngẫu cực song song (của
các miền Veiss) trong cấu tạo của vật rắn, tức là làm
xuất hiện mômen lưỡng cực chung, hay vật rắn bị
phân cực. Hiệu ứng áp điện nghịch xuất hiện trong
trường hợp, khi mà điện trường bên ngoài gây ra sự
phân bố lệch các điện tích, các ngẫu cực hay các
miền Veiss, gây ra sự xê dịch hình học, xuất hiện
dưới dạng các biến dạng cơ học (hình 4).
Hình. 4. Các hiệu ứng áp điện thuận và nghịch. Hiệu
ứng áp điện thuận trong quá trình nén và kéo mẫu
của vật liệu áp điện, diễn ra sự tạo thành các điện
tích trái dấu trên các mặt tương ứng của mẫu(các
ảnh phía trên). Trong hiệu ứng áp điện nghịch, khi
tạo ra sự chênh lệch điện thế đối với mẫu của vật liệu
áp điện gây ra biến dạng ∆h (hình phải bên dưới) –
đối lập với hiệu ứng áp điện thuận, trong đó biến
dạng ∆h tạo ra sự chênh lệch các điện tích (hình trái
bên dưới).
Hiện nay, hiệu ứng áp điện được phát hiện trong
nhiều dạng vật liệu. Anh em nhà Curie đã phát minh
ra hiệu ứng áp điện trong các vật liệu thiên nhiên,
như thạch anh, turmalin, topaz và muối xecgnetov
(muối kali-natri vino toan 4 phân tử nước
KNaC4H4O6.4 H2O). Trong số này hiện nay chỉ có
thạch anh là được sử dụng vào những mục đích công
nghiệp. Tất cả các vật liệu áp điện tinh thể đơn quan
trọng khác trong thực tế, như điphotphat amonia
NH4H2PO4, ortophotphat galia GaPO4 và các oxyt
phức tạp của lantan và galia, đều được chế tạo nhân
tạo.
Mặc dù các vật liệu áp điện tinh thể đơn vẫn tiếp tục
được nghiên cứu cho tới nay, nhưng một nhóm các
vật liệu áp điện được sử dụng rộng rãi hơn cả trong
công nghiệp đó là các vật liệu áp điện đa tinh thể.
Chúng có một tập hợp phong phú các tính chất có
ích, chúng còn có khả năng tham gia phản ứng trong
một phạm vi rộng những điều kiện làm việc. Vào thời
điểm hiện nay, một nhóm lớn nhất các vật liệu gốm
áp điện – đó là những vật liệu cấu tạo từ các tinh thể
có cấu trúc kiểu perovskit.(11)Đó là những oxyt kim
loại phức tạp có công thức chung là ABO3, trong đó
A và B là các cation kích thước khác nhau. Cation A
có thể là Na, K, Rb, Ca, Sr, Ba và Pb, còn cation B có
thể là Ti, Sn, Zr, Nb, Ta và W.
Đôi khi mỗi đôi các cation A và B có thể gồm hai hay
nhiều cation trong hoá học lập thể tổng quát(thí dụ,
trong sirconat – titanat chì PbZrxTi1-xO3). Những vật
liệu gốm áp điện được sử dụng rộng rãi hơn cả cấu
tạo từ các tính thể có cấu trúc kiểu perovskit, là
những titanat bari BaTiO3 (là vật liệu được phát hiện
đầu tiên), titanat chì PbTiO3, sirconat-titanat chì(là
vật liệu áp điện hiện nay được sử dụng rộng rãi hơn
cả), sirconat-titanat chì-lantan Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-x/4O3
và magnoniobat chì PbMg1/3Nb2/3O3.(12)
