Жидкие соли приносят толчок

Apr 02, 2023

Ученые обнаружили первые известные пьезоэлектрические жидкости, способные преобразовывать механическую силу в электрический заряд и наоборот. В целом экологически чистый характер этих материалов предполагает, что они могут найти множество применений, помимо стандартных пьезоэлектрических соединений, например, в новой электроуправляемой оптике и гидравлике. Однако многое остается неизвестным о том, как они работают и, следовательно, на что они способны.

Пьезоэлектричество было впервые обнаружено в 1880 году. С тех пор этот эффект нашел широкий спектр применений, включая динамики мобильных телефонов, струйные принтеры, устройства ультразвуковой визуализации, гидроакустическое оборудование, датчики давления, звукосниматели акустических гитар и форсунки дизельного топлива.

До сих пор все известные пьезоэлектрики были твердыми. Теперь учёные впервые обнаружили пьезоэлектрические жидкости. Они подробно рассказали о своих выводах в исследовании, опубликованном 9 марта в журнале Journal of Physical Chemistry Letters.

«Оптика с электрическим управлением вполне осуществима, просто основываясь на том, что мы знаем сейчас», — Гэри Бланшар, Мичиганский государственный университет.

Исследователи экспериментировали с ионными жидкостями. Эти жидкости представляют собой соли — соединения, каждое из которых состоит как из положительно заряженного катиона, так и из отрицательно заряженного аниона, — которые являются жидкими при необычно низких температурах. Для сравнения, поваренная соль плавится примерно при 800 ºC.

«Они часто относительно вязкие — думайте о них как о моторном масле или кленовом сиропе», — говорит Гэри Бланшар, один из авторов исследования и профессор химии в Университете штата Мичиган в Ист-Лансинге.

Бланшар говорит, что команда проводила стандартные эксперименты, призванные лучше понять основные свойства солей в жидком состоянии (также известных как ионные жидкости). Команда обнаружила, что каждая из двух ионных жидкостей комнатной температуры генерирует электричество, когда поршень сжимает их внутри цилиндра. Сила эффекта, наблюдаемого исследователями, была прямо пропорциональна приложенной силе.

«Мы были чертовски шокированы, увидев это», — говорит Бланшар. «Никто никогда раньше не видел пьезоэлектрический эффект в жидкостях».

Бланшар и его коллеги обнаружили, что оптические свойства этих ионных жидкостей могут резко меняться в ответ на электрический ток. Например, когда исследователи поместили эти жидкости в контейнер в форме линзы, они обнаружили, что электрический заряд может изменять степень отклонения света от жидкостей, «меняя фокусное расстояние линзы», — говорит Бланшар.

Остается неясным, какое применение могут иметь пьезоэлектрические жидкости. По крайней мере, изменчивые оптические свойства этих жидкостей позволяют предположить, что «оптика с электрическим управлением вполне осуществима, основываясь только на том, что мы знаем сейчас», — говорит Бланшар.

Если электричество действительно вызывает изменение размеров пьезоэлектрических жидкостей так же, как это происходит с пьезоэлектрическими твердыми телами, «можно представить новую область пьезогидравлики», добавляет Бланшар.

«Вряд ли когда-нибудь придет в голову искать пьезоэлектрический отклик в жидкости. Поэтому тот факт, что мы обнаружили его в жидкости, стал настоящим сюрпризом», — Гэри Бланшар, Мичиганский государственный университет.

Более того, многие пьезоэлектрические твердые тела могут представлять опасность для окружающей среды. Например, наиболее часто используемая пьезоэлектрическая керамика ЦТС содержит свинец. Напротив, ионные жидкости при комнатной температуре, как правило, значительно более пригодны для вторичной переработки и экологически безопасны, чем многие распространенные пьезоэлектрические материалы, говорят исследователи.

Кроме того, создание пьезоэлектрических компонентов нужных форм и размеров может оказаться затруднительным. Напротив, пьезоэлектрические жидкости могут предложить более широкий спектр дизайнерских возможностей, говорит Бланшар.

Когда дело доходит до понимания того, как возникает пьезоэлектричество, предыдущие исследования показали, что этот эффект возникает в твердых телах, когда механическая сила деформирует их структуры, что смещает электрические заряды внутри них. И наоборот, электрический заряд, приложенный к этим материалам, искажает их структуру.

«Обе эти вещи требуют существенной организации материала», — говорит Бланшар. Основное предположение, касающееся жидкостей, заключается в том, что в этих материалах не существует постоянного порядка. Как следствие, вряд ли когда-нибудь придет в голову искать пьезоэлектрический отклик от жидкости. Поэтому тот факт, что мы нашли его в жидкости, стал настоящим сюрпризом».