Ученые Уральского федерального университета с коллегами из Сианьского транспортного университета (Китай, Сиань) создали новую электрострикционную керамику, которую можно использовать для изготовления микро- и наноманипуляторов для современных нанотехнологий, а также адаптивной оптики. Ученые отмечают, что новый керамический материал в три раза эффективнее, чем существующие аналоги, содержащие свинец. Подробную информацию о результатах исследований и полученной электрострикционной керамике ученые опубликовали в журнале ACS Applied Materials & Interfaces. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 23-42-00116).
Образец бессвинцовой керамики, свойства которой исследовали в УЦКП «Современные нанотехнологии» УрФУ. Фото из личного архива Владимира Шура
«Сегодня в ряде стран введен запрет на использование свинца в электронных компонентах. Эти ограничения стимулируют исследователей во всем мире, в том числе и в России, разрабатывать керамические материалы, не содержащие свинец. Нашему международному научному коллективу удалось создать такую электрострикционную керамику. Важно отметить, что значение электрострикционного коэффициента полученной керамики в три раза больше, чем у существующих аналогов, содержащих свинец. Кроме того, размеры нашей керамики воспроизводимо и быстро изменяются в электрическом поле», — поясняет руководитель проекта, директор УЦКП «Современные нанотехнологии» УрФУ Владимир Шур.
Электрострикционная керамика — это материал, который изменяет размеры под действием электрического поля. Одним из важных направлений, в котором может использоваться такая керамика, является адаптивная оптика. В частности, в астрономии она активно применяется для исправления в реальном времени атмосферных искажений изображения, которое дает телескоп. При наблюдении за небесными телами качество изображения снижается главным образом за счет изменения плотности воздуха. Искажения можно эффективно устранять, изменяя форму поверхности оптических элементов телескопа. Новая керамика позволит делать это с максимальной точностью и быстротой.
«Наша электрострикционная керамика может быть очень полезна для создания наземных телескопов. Кроме того, возможность контролируемо, обратимо и с высокой скоростью производить перемещения с точностью до нанометра будет востребована для дальнейшего развития нанотехнологий», — комментирует Владимир Шур.
Также важной особенностью полученного керамического материала является чрезвычайно низкий уровень гистерезиса. Это значит, что такая керамика очень быстро, точно и обратимо изменяет размеры под действием приложенного электрического поля.
«Низкое значение гистерезиса означает, что система обратимо реагирует на изменение входных параметров. Полученное нами сверхнизкое значение гистерезиса менее 0,8% означает, что керамика позволяет обеспечить быструю и воспроизводимую реакцию на изменения приложенного поля», — объясняет Владимир Шур.
Разработанная китайскими и российскими учеными керамика содержит барий, кальций, титан и олово. Эти металлы значительно менее опасны для окружающей среды, чем наиболее популярная современная электрострикционная керамика, которая состоит из оксидов свинца, магния и ниобия.
«Технология изготовления нашей керамики разработана китайскими коллегами, обладающими многолетним опытом в синтезе сегнетоэлектрических керамик. Коллектив российских ученых проводил исследования неоднородности состава и доменной структуры керамик с нанометровым разрешением. Мы уверены, что дальнейшие совместные исследования помогут создать электрострикционный материал, который сможет заменить опасную для окружающей среды керамику для создания современных электронных устройств, а также будет востребован астрономами», — заключает Владимир Шур.
Справка
Главным инициатором ограничения использования свинца в электронике и промышленности является Европейский Союз. С 2006 года действует закон, который ограничивает использование свинца и ряда других веществ, опасных для окружающей среды. Кроме того, при экспортировании любой продукции в ЕС компании должны соблюдать европейское законодательство в этой области. Другие развитые страны также принимают меры по запрету применения свинца.
Напомним, все современные электрострикционные керамики являются релаксорными сегнетоэлектриками с размытым фазовым переходом. Этот класс материалов был открыт и впервые исследован в России, в лаборатории Георгия Смоленского в Физико-техническом институте Академии наук в Ленинграде.
Источник информации и фото: пресс-служба Уральского федерального университета