Какое вещество используют для изготовления микрофонов и сыров, рассказал Владимир Шур

10:00, 7 августа 2020

Физик поведал об уникальных свойствах сегнетоэлектриков в год 100-летия со дня их открытия

Лаборатория сегнетоэлектриков ИЕНиМ под руководством Владимира Шура является одним из признанных в мире исследовательских центров. Фото: Карина Голованова.

В 2020 году исполняется 100 лет со дня открытия первого представителя класса сегнетоэлектриков — сегнетовой соли (Rochelle Salt). Историю научного открытия и развития сегнетоэлектричества рассказал директор Уральского центра коллективного пользования «Современные нанотехнологии» УрФУ Владимир Шур.

«Сегнетова соль была синтезирована из винного камня в 1655 году французскими аптекарями из города Ларошель — братьями Иеном и Эли Сенье. На протяжении многих лет она использовалась как универсальное лекарство, — поясняет Владимир Шур. — Это двойная соль винной кислоты — натрий калиевый тартрат тетрагидрат. Бесцветные прозрачные кристаллы весом более килограмма можно вырастить из водного раствора».

Со временем ученые выяснили, что сегнетова соль является пьезоэлектриком, пироэлектриком и оптически активным кристаллом. Ее характеристики меняются под воздействием электрического поля, температуры, а также зависят от предыстории и влажности.

«Пьезоэффект открыт братьями Кюри в 1880 году в кварце, турмалине, сегнетовой соли и ряде других кристаллов. Во время Первой мировой войны, начиная с 1916 года, во многих странах интенсивно разрабатывались пьезоэлектрические устройства для обнаружения подводных лодок и подводной связи. Исследовалась и сегнетова соль, поскольку было известно, что ее чувствительность значительно больше, чем у кварца. Однако нестабильность характеристик сильно испортила ее репутацию», — говорит физик.

В 1920 году сегнетова соль стала родоначальником нового класса веществ. Американский физик Джозеф Валашек впервые обнаружил ее уникальные свойства: петлю диэлектрического гистерезиса, подобную магнитной, а также гигантские значения диэлектрической проницаемости и пьезоэлектрического отклика в температурном диапазоне от –18 до +24 °C.

Во время Второй мировой войны сегнетову соль использовали для изготовления ларингофонов, микрофонов, аппаратов для подводной локации и связи, пьезоэлектрических взрывателей и репродукторов. В СССР вырастили 54 тонны кристаллов, из которых изготовили миллионы оборонных приборов. В наши дни сегнетову соль используют в пищевой промышленности как пищевую добавку (антиоксидант) Е337, эмульгатор в сыроварении и разрыхлитель в составе пекарских порошков.

В исследовании сегнетоэлектриков существенную роль сыграли ученые нашей страны. Так, термин «сегнетоэлектричество», используемый в русскоязычной литературе, в первой в мире одноименной монографии предложил Игорь Васильевич Курчатов в 1933 году.

Во время Второй мировой войны при активном поиске новых пьезоэлектриков ученые Японии, США и СССР синтезировали керамику BaO-TiO2 с аномально большой диэлектрической проницаемостью. Позднее физики СССР и США обнаружили в ней переключение поляризации и открыли таким образом новый сегнетоэлектрик титанат бария BaTiO3, который стал родоначальником огромного семейства сегнетоэлектриков со структурой перовскита CaTiO3. Интересно отметить, что перовскит был найден на Урале и назван в честь графа Перовского.

К настоящему времени ученые синтезировали сотни сегнетоэлектриков, которые активно исследуются и широко применяются в различных областях. Лаборатория сегнетоэлектриков ИЕНиМ под руководством Владимира Шура является одним из признанных в мире исследовательских центров.

«В последние годы во всем мире активно развивается микро- и нанодоменная инженерия как новая ветвь науки и технологии, связанная с изготовлением в сегнетоэлектриках стабильных прецизионных регулярных доменных структур (РДС). Успехи доменной инженерии стали важным шагом в производстве электрооптических и нелинейно-оптических приборов. Изготовление нелинейно-оптических кристаллов с РДС с использованием эффекта фазового квазисинхронизма позволило разработать когерентные источники света с преобразованием частоты излучения», — констатирует Владимир Шур.

С помощью доменной инженерии создают устройства интегральной оптики, улучшают диэлектрические и пьезоэлектрические характеристики сегнетоэлектрических кристаллов и керамики. Кроме того, освоено производство монокристаллических тонких пленок ниобата лития и танталата лития субмикронной толщины. Преобразователи с такими пленками находят применение в квантовой связи (источники фотонов), в телекоммуникации (высокоэффективные одноканальные преобразователи), в спектроскопии (источники лазерного излучения без резонатора).

Отметим, С 17 по 19 августа 2020 года на базе института естественных наук и математики УрФУ состоится международная онлайн-конференция «Исследование сегнетоэлектрических материалов российскими учеными. Столетие открытия сегнетоэлектричества». Ученые России, Израиля, США, Португалии, Германии и Чехии, расскажут о последних научных достижениях, а также об истории исследований сегнетоэлектриков в ведущих исследовательских центрах СССР и России.

Справка

Согласно классическому определению, сегнетоэлектрик — это вещество, обладающее в определенном температурном интервале спонтанной поляризацией, ориентированной в двух или нескольких направлениях, которые могут быть изменены под действием электрического поля.