Watt drin

Der piezoelektrische Effekt ist ein faszinierendes Phänomen, bei dem bestimmte Materialien die Fähigkeit aufweisen, als Reaktion auf mechanische Belastung oder Verformung eine elektrische Ladung zu erzeugen und sich umgekehrt zu verformen, wenn sie einem elektrischen Feld ausgesetzt werden. Dieses einzigartige Verhalten entsteht durch die Anordnung der Atome in diesen Materialien, die zu einer Asymmetrie in ihrer Kristallgitterstruktur führt. Wenn Druck oder Spannung auf das Material ausgeübt wird, verzerrt sich das Gitter und erzeugt elektrische Ladungen auf der Oberfläche des Materials. Dieser Effekt wurde erstmals 1880 von Jacques und Pierre Curie entdeckt und hat seitdem vielfältige Anwendungen in verschiedenen Bereichen gefunden.

Anwendungen für die Technologie gibt es in der Entwicklung von Aktoren zur präzisen Bewegungssteuerung, Sensoren zur Messung von Druck, Beschleunigung und Vibration sowie in akustischen Wandlern wie Mikrofonen und Ultraschallsensoren. Darüber hinaus werden piezoelektrische Materialien bei der Energiegewinnung eingesetzt, um mechanische Schwingungen in elektrische Energie für tragbare Geräte umzuwandeln. Dies hat das Potenzial, energiesparende elektronische Geräte an abgelegenen Standorten oder sogar in tragbarer Technologie mit Strom zu versorgen und so die Abhängigkeit von herkömmlichen Stromquellen zu verringern.

Die einzigartigen Eigenschaften piezoelektrischer Materialien haben das Interesse geweckt, sie zur Stromversorgung implantierbarer medizinischer Geräte einzusetzen, um herkömmliche Batterien überflüssig zu machen. Die meisten dieser Materialien sind jedoch starr und spröde und, was noch schlimmer ist, sie enthalten häufig giftige Stoffe wie Blei und Quarz. Aminosäuren stellen eine biokompatible Alternative dar, aber um einen starken piezoelektrischen Effekt zu zeigen, müssen die Moleküle in der richtigen Ausrichtung ausgerichtet sein. Die Produktion von Filmen aus Aminosäuren, die in die gleiche Richtung ausgerichtet sind, hat sich bisher im großen Maßstab als zu anspruchsvoll erwiesen.

Eine neue Technik, die von Forschern der Hong Kong University of Science and Technology entwickelt wurde, könnte bald die Herstellung biokompatibler und biologisch abbaubarer medizinischer Geräte ermöglichen. Sie haben gezeigt, dass ihre Methoden selbstorganisierte, dünne Schichten aus Aminosäuren mit geordneter Ausrichtung erzeugen können, die eine große Oberfläche bedecken. Diese dünnen Filme weisen einen starken piezoelektrischen Effekt auf, der genutzt werden kann, um durch Muskeldehnung, Atmung, Blutfluss und andere Körperbewegungen Strom zu erzeugen. In Zukunft könnten diese Blätter Herzschrittmacher, Biosensoren und andere Geräte mit Strom versorgen. Und wenn die Arbeit erledigt ist, können sie sich sicher auflösen.

Im Rahmen ihrer Forschung stellte das Team fest, dass die Aminosäure β-Glycin eine außergewöhnlich starke piezoelektrische Reaktion aufweist. Daher stellten sie mit einem bioorganischen Filmdrucker unter Verwendung der elektrohydrodynamischen Sprühmethode nanokristalline Filme dieser Aminosäure her. Während des Sprühens wird zwischen der Düsenspitze und dem leitfähigen Träger ein elektrisches Feld angelegt, um die Bildung von Nano-Mikrotröpfchen zu unterstützen. Aufgrund der geringen Größe der Nano-Mikrotröpfchen verdunstet Wasser sehr schnell. Und dies wiederum dient dazu, die β-Glycin-Moleküle im resultierenden biomolekularen Film konsistent auszurichten.

Einer der Forscher, die die Arbeit leiteten, stellte fest, dass ihre „Studie eine gleichmäßig hohe piezoelektrische Reaktion und ausgezeichnete Thermostabilität über die gesamten β-Glycin-Filme zeigt“. Die hervorragende Ausgangsleistung, die natürliche Biokompatibilität und die biologische Abbaubarkeit der nanokristallinen β-Glycin-Filme sind von praktischer Bedeutung für leistungsstarke transiente biologische elektromechanische Anwendungen wie implantierbare Biosensoren, drahtlose Ladestromversorgungen für bioresorbierbare Elektronik, Smart Chips und andere biomedizinische Technikzwecke .“

Derzeit verfeinert das Team seine Methoden weiter mit der Hoffnung, die Filme so flexibel wie natürliche biologische Gewebe zu machen. Sie untersuchen auch Möglichkeiten, eine kostengünstige Massenproduktion der Filme zu erreichen. Sobald diese Ziele erreicht sind, wollen sie Experimente in Tiermodellen durchführen, um das Potenzial der neuen Technologie für den Antrieb implantierbarer medizinischer Geräte zu zeigen.