Piezokristalle - wie und warum sie funktionieren
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Aus Telefonen und Lautsprechern sind sie nicht wegzudenken: winzigepiezoelektrische Kristalle, die Strom in Ton umwandeln und umgekehrt.Was genau dabei im Innersten der Kristalle vor sich geht und wie manverbesserte Versionen herstellen könnte, war Wissenschaftlern bisherallerdings unklar – jetzt bietet ein Computermodell aus den USAerste Einblicke, berichtet das Fachblatt Nature.
Das Modell im Rechner simuliert die Struktur der Moleküle im Kristall undrekonstruiert ihre Eigenschaften.
Piezoelektrische Kristalle reagieren aufelektrische Spannung oder auf Druck: liegt eine Spannung an, so dehntsich das Kristallgitter wie ein aufgezogenes Akkordeon in die Richtungdes elektrischen Feldes – und gibt einen Ton von sich. Wird auf denKristall Druck ausgeübt, durch Gewicht oder sogar durch auftreffendeKlangwellen, so schiebt sich das Kristallgitter zusammen und erzeugteinen kleinen elektrischen Strom. Je flexibler das jeweiligeKristallgitter, desto mehr Klangvolumen kann der Piezokristall erzeugenoder wahrnehmen.
Diese Beobachtungen der Wissenschaftler reichen aus, um die Kristallezu verwenden, jedoch selbst Piezomaterialien mit gewünschten Eigenschaftenzu konstruieren, ähnelte bisher allerdings eher einem Glücksspiel. "Manmuss bauen und schauen", so sagte Ronald Cohen vomGeophysical Laboratory of the Carnegie Institution of Washington. Der jüngste Zufallstreffer einesForscherteams: Eine Kombination zweier Kristalle auf Blei-Basis, genanntPZN-PT und PMN-PT, deren Gitter sich rund 20 mal mehr dehnen lässt,als das anderer Kristalle.
Weshalb dies so ist, glauben Cohen und sein Kollege Huaxiang Fuerstmals in Ansätzen erklären zu können. Ihr Computermodell kann diepiezoelektrische Reaktion des Kristalls nachvollziehen: DiePolarisationen der beiden Bestandteile PZN-PT und PMN-PT dehnen sichsehr unterschiedlich, um 0,1 Prozent bzw. um fast zwei Prozent. Erhöhtman das elektrische Feld, kann man die Polarisation von einem Zustand inden anderen "kippen" – dieses "Umschalten" steigert die Piezo-Reaktionenorm, so die Wissenschaftler. Zwar bedürfe es noch weiterer Forschung,und auch andere Faktoren müssten in die Berechnung mit einbezogenwerden, dennoch verspricht ein Verständnis vom Kristall und seiner Reaktion zukünftige Baupläne für neue, bedarfsgerechte und hocheffektivePiezokristalle. Mögliche Einsatzgebiete wären beispielsweisehochempfindliche Detektoren und deutlich verbesserte Ultraschallgerätein der Medizin.
Dörte Saße und InScight
