12/5/2009
غالبًا ما يعتمد صانعو الأدوات على الكهرباء الانضغاطية – وهي القدرة التي يجب أن تنتجها بعض المواد الصلبة عند الضغط عليها – لتشغيل الأنظمة المدمجة الصغيرة ، مثل شاشة اللمس في BlackBerry Storm 2 أو مستشعر الوسادة الهوائية في السيارة . في حين أن المركبات التي أساسها الرصاص تمتلك عادةً أكبر إمكانات كهرضغطية ، فقد أصبح المعدن الثقيل غير مفضل حيث يدفع صانعو الأجهزة لإزالته من جميع الأجهزة الإلكترونية في محاولة لتقليل النفايات السامة .
افترض فريق من جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، في دراسة ستُنشر يوم الجمعة في مجلة ساينس: “مدفوعة بالمخاوف البيئية العالمية ، هناك حاليًا دفعة قوية لاكتشاف كهرضغطية عملية خالية من الرصاص لهندسة الأجهزة” . أفاد الباحثون بإيجاد بديل قابل للتطبيق في فيلم الفريت البزموت المُعد خصيصًا والذي له خصائص كهرضغطية على قدم المساواة مع المركبات التي أساسها الرصاص.
لم يكن العثور على بدائل للرصاص أمرًا سهلاً. على الرغم من أن قيود الاتحاد الأوروبي (EU) على استخدام مواد خطرة معينة (RoHS) دخلت حيز التنفيذ في عام 2006 – وهو حظر فعال للإلكترونيات الجديدة (pdf) التي تحتوي على مستويات معينة من الرصاص والكادميوم والزئبق والمواد الكيميائية السامة الأخرى – إلا أن الرصاص كان صعبًا للتخلص التدريجي بسبب تعدد استخداماته. (يعمل كمكون في اللحام والبلاستيك ، على سبيل المثال). في الواقع ، يعتبر الرصاص في الإلكترونيات واسع الانتشار لدرجة أن RoHS اضطر إلى تضمين قائمة من الاستثناءات من حظر المعدن ، وعلى الأخص في الأجهزة الإلكترونية الانضغاطية (pdf) .
على الرغم من أن الباحثين قد عرفوا منذ سنوات بخصائص البزموت الفريت الكهرضغطية ، إلا أنه لا يمكن تصنيعها لإنتاج جهد كافي لاعتباره بديلاً للرصاص ، كما يقول رامامورثي راميش ، أستاذ الفيزياء وعلوم وهندسة المواد في جامعة كاليفورنيا في بيركلي الذي ساهم في البحث الذي قاده روبرت زيتشيس ، أحد باحثي راميش الخريجين في قسم علوم وهندسة المواد في بيركلي. ويضيف: “لا يمكن لأي شخص التحكم في بنية البزموت بحيث يمكن أن تؤدي بشكل جيد مثل الرصاص والمركبات القائمة على الرصاص كمادة كهرضغطية”.
من خلال تجربة أغشية الفريت البزموت ذات السماكات المختلفة المزروعة على أنواع مختلفة من الركائز ، كان Zeches قادرًا على إنشاء فيلم يمكن أن يولد المزيد من “الإجهاد” الكهرضغطية – يقاس من حيث الشحنة المتولدة – أكثر مما كان ممكنًا في السابق. كان المفتاح هو العثور على تركيبة ركيزة سماكة تسببت في تكوين الفيلم باستخدام الخليط الصحيح من البلورات ذات الشكل رباعي الزوايا والشكل المعين. ( Tetragonals تتميز من خلال وجود ثلاثة محاور بزاوية قائمة على بعضها البعض، وهما على قدم المساواة في طول والثالث على طول مختلف، rhombohedrals تشبه مكعبًا ممتدًا أو مسطحًا على طول محور قطري واحد.) يتم إنشاء إجهاد كهرضغطية عندما يتم الضغط على الفريت البزموت ، مما يجبر بلوراته الرباعية الزوايا على تغيير الشكل إلى أشكال معينية السطوح (والعكس صحيح). مع زيادة الإجهاد ينتج المزيد من الكهرباء عن طريق التأثير الكهروإجهادي. يقول راميش: “اتخذ روبرت خطوة كبيرة للأمام من خلال إيجاد التركيبة الصحيحة من أشكال بلورات البزموت الفريتية لزيادة كمية الإجهاد الناتج”.
يحاول الباحثون الآن تحديد أي العوامل – نوع الركيزة ، وسماكة الفيلم أو التركيب البلوري وموضعه – تؤثر بشكل كبير على الجهد الكهروضغطي للفيلم ، كما يقول زيتشيس. ويضيف: “النقطة الحلوة تكمن في الأفلام ذات السماكة المتوسطة ، حيث يمكنك الحصول على التكوينات الكريستالية المختلطة التي لها تأثير كهرضغطية أكبر.”
يعد بحث بيركلي مبكرًا جدًا في تطويره لتحديد متى يمكن دمج المواد القائمة على الفريت البزموت في الإلكترونيات الاستهلاكية أو كيف يمكن أن تؤثر على التكلفة. على الأرجح ، فإن استمرار النجاح مع المركبات سيؤدي على الفور إلى استخدامها في أجهزة تخزين البيانات ذات المقياس النانوي.