Ученые создали новую бессвинцовую керамику с рекордными характеристиками

13:41, 12 января 2024

Ее эффективность в три раза выше, чем у существующих аналогов

Разработка может использоваться в адаптивный оптике и нанотехнологиях. Фото из личного архива Владимира Шура.

Ученые УрФУ совместно с китайскими коллегами из Сианьского транспортного университета (Xi’an Jiaotong university) создали новую электрострикционную керамику, которую можно использовать для изготовления микро- и нано-манипуляторов для современных нанотехнологий, а также адаптивной оптики. Ученые отмечают, что новый керамический материал в три раза эффективнее, чем существующие аналоги, содержащие свинец. Поскольку многие государства мира вводят законодательные ограничения на использование свинца в электронике, разработка ученых может заменить содержащие свинец керамические аналоги. Подробную информацию о достигнутых результатах исследований и полученной электрострикционной керамике ученые опубликовали в журнале ACS Applied Materials & Interfaces. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 23-42-00116).

«Сегодня в ряде стран введен запрет на использование свинца в электронных компонентах. Эти ограничения стимулируют исследователей во всем мире, в том числе и в России, разрабатывать керамические материалы, не содержащие свинец. Нашему международному научному коллективу удалось создать такую электрострикционную керамику. Важно отметить, что значение электрострикционного коэффициента полученной керамики в три раза больше, чем у существующих аналогов, содержащих свинец. Кроме того, размеры нашей керамики воспроизводимо и быстро изменяются в электрическом поле», — поясняет руководитель проекта, директор УЦКП «Современные нанотехнологии» УрФУ Владимир Шур.

Электрострикционная керамика — это материал, который изменяет размеры под действием электрического поля. Одним из важных направлений, в котором может использоваться такая керамика, является адаптивная оптика. В частности, в астрономии она активно применяется для исправления в реальном времени атмосферных искажений изображения, которое дает телескоп. При наблюдении за небесными телами качество изображения снижается главным образом за счет изменения плотности воздуха. Искажения можно эффективно устранять, изменяя форму поверхности оптических элементов телескопа. Новая керамика позволит делать это с максимальной точностью и быстротой.

«Наша электрострикционная керамика может быть очень полезна для создания наземных телескопов. Кроме того, возможность контролируемо, обратимо и с высокой скоростью производить перемещения с точностью до нанометра будет востребована для дальнейшего развития нанотехнологий», — комментирует Владимир Шур.

Также важной особенностью полученного керамического материала является чрезвычайно низкий уровень гистерезиса. Это значит, что такая керамика очень быстро, точно и обратимо изменяет размеры под действием приложенного электрического поля.

«Низкое значение гистерезиса означает, что система обратимо реагирует на изменение входных параметров. Полученное нами сверхнизкое значение гистерезиса менее 0,8 % означает, что керамика позволяет обеспечить быструю и воспроизводимую реакцию на изменения приложенного поля», — объясняет Владимир Шур.

Важно отметить, что вновь созданная керамика содержит барий, кальций, титан и олово. Эти металлы значительно менее опасны для окружающей среды, чем наиболее популярная современная электрострикционная керамика, которая состоит из оксидов свинца, магния и ниобия.

«Технология изготовления нашей керамики разработана китайскими коллегами, обладающими многолетним опытом в синтезе сегнетоэлектрических керамик. Коллектив российских ученых проводил исследования неоднородности состава и доменной структуры керамик с нанометровым разрешением. Мы уверены, что дальнейшие совместные исследования помогут создать электрострикционный материал, который сможет заменить опасную для окружающей среды керамику для создания современных электронных устройств, а также будет востребована астрономами», — заключает Владимир Шур.

Справка

Главным инициатором ограничения использования свинца в электронике и промышленности является Европейский Союз. С 2006 года действует закон, который ограничивает использование свинца и ряда других веществ, опасных для окружающей среды. Кроме того, при экспортировании любой продукции в Европейский Союз, компании должны соблюдать европейское законодательство в этой области. Другие развитые страны также принимают меры по запрету применения свинца.

Важно отметить, что все современные электрострикционные керамики являются релаксорными сегнетоэлектриками с размытым фазовым переходом, а этот класс материалов был открыт и впервые исследован в лаборатории Георгия Смоленского в Физико-техническом институте Академии наук в Ленинграде.

Сергей Лукьянченко