Nieoczywiste zastosowania ferroików – rozmowa z dr hab. Ireną Jankowską-Sumarą, prof. UP

Czym są ferroelektryki? Przypuszczam, że większość zapytanych losowo osób mogła by nie znać odpowiedzi na to pytanie. Nie jest to wiedza, która należy do oczywistych natomiast zapewniam, że zadziwić może jak wiele zastosowań w życiu codziennym znajdują wspomniane ferroiki. Podstawowym celem mojego wpisu będzie pokazanie, jak ciekawym tematem mogą być ferroelektryki, przedstawienie ich użyteczności w życiu codziennym oraz ich zastosowań naukowych. Na potrzeby tego artykułu odbyłem bardzo interesujące spotkanie z dr hab. Ireną Jankowską-Sumarą, prof. UP 

 

Podstawowa wiedza

Ferroelektryk jest to materiał, który wykazuje spontaniczną polaryzację elektryczną, nawet bez pola elektrycznego. Sama nazwa zjawiska została zapożyczona od ferromagnetyzmu, co jest nieco mylące, gdyż ferroelektryki raczej nie zawierają pierwiastka Fe. Ferroelektryki mają zwykle bardzo duże przenikalności dielektryczne, oznacza to iż bardzo słabo przewodzą prąd. Jakie jeszcze właściwości posiadają ferroelektryki?  

• przenikalność pola elektrycznego zależna jest od temperatury, ciśnienia oraz natężenia pola, 
• wykazują silną piezoelektryczność, 
• wykazują wiele anomalii we właściwościach sprężystych i optycznych. 

 

Ferroelektryk a piezoelektryk

Każdy ferroelektryk jest piezoelektrykiem, ale nie każdy piezoelektryk jest ferroelektrykiem.   Funkcjonuje to mniej więcej w ten sam sposób co zbiory geometryczne: każdy kwadrat jest prostokątem, ale nie każdy prostokąt jest kwadratem. Czym zatem jest wspomniana piezoelektryczność? Zjawisko piezoelektryczne, polega na pojawieniu się na powierzchni kryształu ładunków elektrycznych pod wpływem naprężeń mechanicznych. Piezoelektryk może być zarówno monokryształem (np. kwarcu, jak i polikryształu), którego komórki elementarne nie mają środka symetrii. Istnieją też ceramiki i substancje organiczne o właściwościach piezoelektrycznych (polimery, DNA, białka, kości).  

Zanim opowiemy nieco więcej o nieoczywistych zastosowaniach ferroelektryków będę miał przyjemność przedstawić rozmowę z dr hab. Ireną Jankowską-Sumarą, prof. UP, która zajmuje się pracownią ferroików na Uniwersytecie Pedagogicznym i w bardzo ciekawy sposób wyjaśniła mi kwestie ferroelektryczności.  

  

Wywiad: 

Rozmówca:  

dr hab. prof. UP Irena Jankowska-Sumara  

Kierownik Katedry Fizyki Doświadczalnej  

Instytut Fizyki 

Specjalizacja – fizyka ciała stałego (fizyka ferroelektryków), dynamika przemian fazowych w materiałach o strukturze perowskitu, projektowanie i modelowanie nowych materiałów, opracowanie metod badawczych oraz obliczeniowych 

Gabriel Galli:  Chciałbym zapytać czym w ogóle zajmuje się pracownia ferroików na Uniwersytecie Pedagogicznym? 

Pani Profesor Irena Jankowska-Sumara: Nazwa tej pracowni jest dość ogólna, obejmuje ona nie tylko wspomniane ferroelektryki, ale wszystkie materiały, które mają w sobie przedrostek „ferro”. Sama w sobie ta nazwa jest dość myląca, ponieważ ferro kojarzy nam się z żelazem. W tym laboratorium natomiast nie zajmujemy się materiałami magnetycznymi a materiałami spontanicznie spolaryzowanymi.  

GG: Co to znaczy, spontanicznie spolaryzowane?

PP: Ze szkoły pamięta Pan, że istnieją materiały, które przewodzą lub nie przewodzą prądu –takie, które mają elektrony swobodne w sobie lub nie. Te, które nie posiadają wspomnianych elektronów nazywamy izolatorami. Natomiast nie oznacza to, że izolatory nie posiadają ładunków elektrycznych. Gdy taki izolator (dielektryk) umieścimy w polu elektrycznym wtedy to pole będzie oddziaływać na te ładunki, które zaczną się przesuwać. Te przesunięcia są jednocześnie zbyt małe, aby je zauważyć, ale na tyle duże by pojawiła się polaryzacja – jedna z najważniejszych właściwości tych materiałów.  

GG: Wspominała Pani by nie mylić ferroelektryków z ferromagnetykami. Czy rzeczywiście różnica jest tak duża?  

PP: Różnica jest diametralna. Ferroelektryki zwykle nie posiadają (albo bardzo rzadko w postaci niewielkich domieszek) w sobie żelaza.  

GG: Wspominała Pani, że wszystkie ferroelektryki posiadają bardzo użyteczną właściwość a mianowicie są też piezoelektrykami Czym w praktyce jest ta piezoelektryczność?  

PP: Świetnym przykładem będzie na przykład zapalniczka. Nie ma ona w sobie żadnej baterii, jest tam krzemień, który pod wpływem nacisku wyzwala iskrę – to jest właśnie piezoelektryczność, są to materiały, które pod wpływem nacisku wytwarzają ładunki. I wszystkie ferroelektryki posiadają właśnie tą właściwość. Oprócz niej posiadają oczywiście wspomnianą spontaniczną polaryzacje a także inne zjawisko zwane piroelektrycznym.  

GG: Co w takim razie bada się w tej pracowni? Czy zjawisko piezoelektryczności jest tutaj badane?  

PP: Tak, między innymi zajmujemy się badaniem skali zjawiska piezoelektrycznego. Zwykle są to niezwykle małe zmiany, nie zauważalne dla oka natomiast zauważalne dla pewnego rodzaju specjalistycznego sprzętu. Sprzęt ten pomaga ocenić skalę przesunięcia.  Jest wiele zastosowań dla zjawiska piezoelektryczności w codziennym życiu.  

GG: Czy może Pani podać kilka z nich?  

PP: Chociażby wspomniana zapalniczka, nowoczesny sprzęt sportowy również wykorzystuje to zjawisko. Wtryskiwacze piezoelektryczne w silnikach Diesla. Część sprzętów takich jak słuchawki i głośniki czy nawet głowice ultrasonograficzne służące do badań USG korzystają z efektu piezoelektrycznego. Płuczki ultradźwiękowe. Jeśli słyszymy lub czytamy o urządzeniach wytwarzających ultradźwięki to możemy być pewni, że wykorzystano do tego celu ferroelektryk. 

 

 

GG: W jaki sposób badana jest piezoelektryczność?  

PP: W pracowni posiadamy stanowisko, w którym badać możemy zjawiska piezoelektryczne zarówno kryształów jak i ceramik piezoelektrycznych. Jest to dość prosta i niepozornie wyglądająca technologia. Mały kawałeczek materiału umieszczamy w urządzeniu, które pod wpływem pola elektrycznego zmienia swoje rozmiary. Im większe odkształcenie tym lepszym piezoelektrykiem jest materiał poddany badaniu.  

 

 

GG: Podczas przygotowań do tej rozmowy natrafiłem na hasło domeny ferroelektryczne, czy może Pani wyjaśnić mi ten termin? 

PP: Bardzo dobrze, że Pan o tym wspomina. Wszystkie ferroelektryki wykazują właściwości dwójłomności optycznej. Jeżeli światło pada na taki kryształ to jego promień światła dzieli się na dwa tzw. zwyczajny i nadzwyczajny.  Przez interferencję tych dwóch promieni poprzez tzw. interferencje uzyskujemy efekty barwne w postaci kolorowych obszarów – świadczą one o istnieniu domen ferroelektrycznych, dany kolor to jedna domena. Domeny te możemy zobaczyć pod specjalnym mikroskopem zwanym polaryzacyjnym.  

 

 

GG: Widzę, że na każdym zdjęciu ukazującym te domeny, stopniowo zwiększana jest temperatura ferroelektryka, czy ma ona duży wpływ na niego?  

PP: Wszystkie ferroelektryki charakteryzują się pewną temperaturą, w której całkowicie znika stan ferroelektryczny – nazywa się to temperaturą przemiany fazowej i każdy materiał ma swoją własną temperaturę przemiany.  Razem z własnościami ferroelektrycznymi znikają również własności piezoelektryczne. 

GG: Jest jeszcze jedno stwierdzenie, które znalazłem w sieci i zwróciło ono moją uwagę. Co to znaczy, że ferroelektryki wykazują silną przenikalność elektryczną? 

PP: Ferroelektryki nadają się świetnie do kondensatorów. Okazuje się, że przenikalność elektryczna ferroelektryków jest tak duża, że użycie jej w kondensatorze znacznie zwiększa jego pojemność. Wiele kondensatorów opartych jest o ferroelektryki. Jest to jedna z najważniejszych właściwości ferroelektryków obok polaryzacji oraz temperatury przemiany w zwanej temperaturą Curie – czyli najwyższą temperaturą, w której materiał jest jeszcze ferroelektrykiem.  

GG: Czy pracownia, którą tutaj widzimy jest ogólnodostępna? 

PP: Pracownia jest dostępna dla studentów, którzy realizują prace magisterskie. Korzystają z niej również doktoranci starający się o prace doktorską, natomiast nie jest to pracownia studencka tylko typowo naukowa. 

GG: Rozumiem, bardzo Pani dziękuję za poświęcony i czas i przekazaną wiedze.  

 

Więcej szczegółów na temat zastosowań ceramiki ferroelektrycznej

Pamięć ferroelektryczna 

Inaczej FRAM ( Ferroelectric Random Acces Memory), ROM (Read–Only Memory), EEPROM ( Electrically-Eresable Programmable Read-Only Memory) 

FRAM wykorzystuje istnienie trwałej polaryzacji oraz możliwość jej zmiany. W przypadku ferroelektryka dzieje się tak poprzez przyłożenie do niego pola elektrycznego. W zerowym polu elektrycznym polaryzacja może być skierowana w górę lub w dół. Ferroelektryk nie jest w stanie samoistnie zmienić polaryzacji, energia jest do tego niezbędnym czynnikiem.  

Czujniki piroelektryczne  

Z angielskiego Pyroelectric detectors, działają poprzez prąd elektryczny o natężeniu proporcjonalnym do szybkości zmian temperatury.  Służą do wykrywania promieniowania termicznego.  

Inne zastosowania  

• Ultra Sonic Cleaners – myjka ultradźwiękowa  
• SODAR – sound detection and ranging, to instrument służy do badania prędkości wiatru na różnych poziomach.  
• SONAR – urządzenia hydrolokacyjne  
• Medical Diagnostics – ultrasonograf  
• Printer Heads – głowice do drukarek  
• Gas Lighters – zapalarki  
• Micro Positioners – precyzyjne pozycjonowanie  
• Actuators – przekaźniki  
• Sensors – czujniki  
• Capacitors – kondensatory 

 

 

Więcej szczegółów na temat zastosowań efektu piezoelektrycznego:  

Efekt piezoelektryczny polega na zmianach geometrycznych, które powoduje przyłożenie pola elektrycznego. Odkształcenie materiału indukuje powstanie różnicy potencjałów. Jest swoistym przetwornikiem energii mechanicznej na elektryczną i odwrotnie. Kryształy piezoelektryczne charakteryzują się tym, że mają wiązania jonowe, a ich komórka elementarna nie ma środka symetrii. Spośród 32 klas symetrii we wszystkich układach krystalograficznych istnieje 20 spełniających ten warunek. Pod wpływem naprężenia w takich kryształach dochodzi do różnego przesunięcia „środków ciężkości” ładunku dodatniego i ujemnego, co powoduje polaryzację elektryczną kryształu. Pojawiający się na krawędziach kryształu ładunek jest proporcjonalny do odkształcenia 

Zjawisko odwrotnej piezoelektryczności 

Zjawisko piezoelektryczne odwrotne polega na zmianie wymiarów materiału pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego. Odkształcenie powstaje na skutek rozsunięcia jonów pod wpływem sił elektrostatycznych i jest proporcjonalne do przyłożonego pola. Należy je odróżnić od elektrostrykcji, która ma inną przyczynę, jest zjawiskiem znacznie słabszym, powszechniejszym, nie ma zjawiska odwrotnego, a odkształcenie jest proporcjonalne do kwadratu wartości przyłożonego pola. 

Znane materiały będące piezoelektrykami*: 

• Kwarc α czyli krystaliczny dwutlenek krzemu minerał występujący w naturze, zwany jest również kryształem górskim. Jest to jeden z pierwszych materiałów piezoelektrycznych, powszechnie używany w elektronice. 
• Sól Seignette’a czyli uwodniony winian sodowo-potasowy, zwany również solą z La Rochelle. Charakteryzuje się stosunkowo dużym generowanym napięciem, ale jest wrażliwy na działanie wilgoci. 
• Turmaliny, czyli występujące w naturze minerały, borokrzemiany kilku metali. Były jednymi z pierwszych stosowanych praktycznie piezoelektryków. 

• Tytanian baru i jego związki izomorficzne, czyli BaTiO3 – nieorganiczny związek chemiczny, mieszany tlenek baru i tytanu (IV)[2]. Materiał ceramiczny o właściwościach ferroelektrycznych (z wyłączeniem tytanianu o regularnym układzie krystalicznym), piezoelektrycznych i fotorefraktywnych. 

*źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Ferroelektryk 

 

Inne zastosowania piezoelektryków:  

• przetworniki audio  
• wykrywacze dymu (brzęczyki)  
• wykrywacze ryb  
• zapalniczki  
• urządzenia zapłonowe  
• przyspieszeniomierz  
• mikrofony  
• głowice adapterów  
• filtry SAW  
• układy zapłonowe  
• głośniki wysokotonowe
• „inteligentny” sprzęt sportowy (narty, rakiety)  

Więcej szczegółów dotyczących zastosowań piroelektryków:  

Piroelektryk – materiał mający zdolność generowania siły elektromotorycznej pod wpływem zmian temperatury. 

Zastosowania:  

• Jednym z podstawowych zastosowań piroelektryków są matryce termowizyjne. Charakteryzują się stosunkowo niską ceną, są wygodne w użyciu, gdyż w większości zastosowań nie wymagają chłodzenia ciekłym azotem.  
• Piroelektryki służą przy wszelakich czujnikach ruchu oraz czujnikach przeciwpożarowych w systemach alarmowych lub kontroli dostępu. 

•  Analizowanie gazów i zanieczyszczeń powietrza. Wykorzystuje się występowanie silnych linii w widmie absorpcyjnym niektórych gazów w zakresie podczerwieni.  
• Radiometry, czyli wysokiej czułości laboratoryjne czujniki termiczne. 
• Mikro ogniwa termiczne. Ich moc jest niewielka, ale sprawność duża. Rozwiązania takie są na etapie doświadczeń, ale zbudowano konwertery, których sprawność dziesięciokrotnie przekracza sprawność konwencjonalnych generatorów termoelektrycznych. 
• Potencjały wytworzone przez kryształy piroelektryczne są tak duże, że mogą być wykorzystywane do rozpędzania jonów do dużych prędkości. Wykorzystano ten fakt do wywołania zimnej fuzji jąder atomowych. Skala zjawiska nie jest tak duża, by można było go użyć. 
• Bardzo perspektywicznym zastosowaniem piroelektryków wydaje się być termowizja. 

 

Pomysł na prace dyplomowe 

Temat ferroelektryków i bliźniaczych im materiałów okazał się dla mnie bardzo ciekawą lekcją. Zupełnie nie spodziewałem się jak wiele zastosowań w życiu codziennym jak i w środowisku naukowym mają ferroiki. Ta sfera wiedzy świetnie nadaje się na prace dyplomowe studentów Instytutu Fizyki, ponieważ jest bardzo rozległy i dużo więcej mamy w nim przykładów z życia codziennego aniżeli samej teorii. Jeżeli ktoś ze studentów czytających ten artykuł zainspirowany ferroelektrykami lub innymi ferroikami zapragnie poświęcić im swoją pracę dyplomową to bardzo gorąco polecam – pracownia ferroików na Uniwersytecie Pedagogicznym stoi otworem i skrywa wiele interesujących materiałów i sprzętów. 

Autor: Gabriel Galli