| تاریخ ارسال: 1403/12/13 |
ورود به آب‌های ناشناخته: محققان برای اولین بار اثر پیزوالکتریک را در مایعات مشاهده کردند
تصویر بالا تصویری از یک مایع یونی که توسط پیستون در یک سیلندر فشرده شده و منجر به تولید بار الکتریکی می‌شود.
The Journal of Physical Chemistry Letters Copyright ۲۰۲۳ American Chemical Society.
پیزوالکتریسیته به تولید بار الکتریکی در مواد خاص ناشی از تنش مکانیکی اعمال شده اشاره دارد. موادی که این پیزوالکتریک "مستقیم" را نشان می‌دهند، پیزوالکتریک "معکوس" را نیز نشان می‌دهند، یعنی تولید کرنش مکانیکی با اعمال میدان الکتریکی، جرقه‌زن‌های پیزو که در اجاق‌ها یافت می‌شوند، تنها نمونه‌ای از روش‌های متعدد استفاده از پیزوالکتریک در دنیای امروزی هستند. سایر کاربردها شامل محرک‌های صنعتی و سنسورهای پزشکی می‌باشد، در حالی که سرامیک‌ها بیشتر مواد پیزوالکتریک تجاری مرتبط را تشکیل می‌دهند، رفتار پیزوالکتریک در بسیاری از پلیمرها و همچنین مولکولهای بیولوژیکی مانند DNA، پروتئین‌های ویروسی و اسیدهای آمینه نیز مشاهده می‌شود. با این حال، همه این مواد متنوع در یک چیز مشترک هستند آنها پیزوالکتریک را در حالی که در فاز جامد هستند نشان می‌دهند، درک کنونی مکانیسم‌های پشت پیزوالکتریک مستلزم داشتن یک ماده ساختاری قابل توجه است. بنابراین، جای تعجب نیست که همه مواد پیزوالکتریک شناخته شده جامد هستند، زیرا مایعات و گازها معمولاً فاقد نظم پایدار هستند.
گری بلانچارد، استاد شیمی در دانشگاه ایالتی میشیگان، میگوید: «در نتیجه، به سختی فکر می‌کنیم که به دنبال پاسخ پیزوالکتریک از یک مایع بگردیم.» با این حال، این فرض اساسی در مقاله جدیدی که توسط بلانچارد و دکتر اقبال چاپ شده است. این مقاله مشاهده پیزوالکتریک در مایعات را برای اولین بار گزارش می‌دهد، به ویژه مایعات یونی با دمای اتاق- مایع یونی اصطلاحی است برای نمک در حالت مایع- برخلاف مایعات معمولی مانند آب و بنزین که عمدتاً از مولکولهای الکتریکی خنثی ساخته شده‌اند، مایعات یونی از یون تشکیل شده و دارای بار الکتریکی خالص هستند. مایعات یونی به عنوان حلال‌های سبز جایگزین بسیار امیدوارکننده در فرآیندهای شیمیایی شناخته می‌شوند. آنها همچنین به عنوان افزودنی در مواد پیشرفته (فاز جامد) مانند سلول‌های خورشیدی پروسکایت استفاده شده‌اند.
بلانچارد در مقاله‌ای در IEEE Spectrum میگوید که گروه پژوهشی‌اش آزمایش‌هایی را انجام می‌دادند که برای درک بهتر خواص اساسی مایعات یونی طراحی شده بودند. آنها وقتی دو مایع یونی با دمای اتاق متفاوت را یافتند که هر کدام با فشار دادن پیستون در داخل سیلندر برق تولید می‌کنند، شوکه شدند. بلانچارد و شاگردانش آزمایش را چندین بار تکرار کردند تا تکرارپذیری نتایج را تایید کنند. آنها همچنین سیلندر را با دو مایع استاندارد، اتیلن گلیکول و ۱ مولار نمک طعام در اتیلن گلیکول پر کردند تا تایید کنند که هیچ یک از آنها پاسخ پیزوالکتریک قابل اندازه‌گیری را هنگام فشرده شدن ایجاد نمی‌کند. با این اعتبارسنجی، سپس آنها آزمایش کردند که آیا مایعات یونی در دمای اتاق دارای پیزوالکتریک معکوس هستند یا خیر. آنها این کار را با اعمال بار الکتریکی به مایعات یونی ذخیره شده در یک ظرف عدسی شکل انجام دادند. پس از استفاده، یک تغییر قابل اندازه‌گیری در فاصله کانونی مایع یونی - یعنی میزان خمش نور ورودی - وجود داشت که نشان می‌دهد مایع دارای فشار مکانیکی است. بلانچارد میگوید که آنها هنوز در تلاش هستند تا مکانیسم‌های اساسی در پس اثر پیزوالکتریک در این مایعات را کشف کنند. با این حال، آنچه مسلم است این است که او و حسین در این مقاله می‌نویسند: «تئوری فعلی مواد پیزوالکتریک حالت جامد» برای توضیح مشاهدات تجربی ارائه شده در اینجا نیاز به تغییراتی دارد. بزرگی اثر پیزوالکتریک در این مایعات یونی مرتبه‌ای کوچک‌تر از کوارتز است که یک سرامیک پیزوالکتریک پرکاربرد است. بلانچارد میگوید جالب است که ببینیم آیا مایعات یونی دیگر تأثیر بیشتری دارند یا خیر.
مقاله مرجع:
The paper, published in The Journal of Physical Chemistry Letters, is “Ionic liquids exhibit the piezoelectric effect” (DOI: ۱۰.۱۰۲۱/acs.jpclett.۳c۰۰۳۲۹)
منبع:
ترجمه: پرتوخلیف‌پور ، دانشگاه صنعتی شریف