液体塩はプッシュをもたらします

Apr 02, 2023

科学者たちは、機械力を電荷に、あるいはその逆に変換できる、既知の最初の圧電液体を発見しました。 これらの材料は一般的に環境に優しい性質を持っているため、新しい電気制御光学系や油圧など、標準的な圧電化合物を超えた多くの用途が見つかる可能性があることが示唆されています。 しかし、それらがどのように機能するのか、したがってどのようなことができるのかについては、まだ不明な点が多くあります。

圧電は 1880 年に初めて発見されました。それ以来、この効果は、携帯電話のスピーカー、インクジェット プリンター、超音波画像処理、ソナー装置、圧力センサー、アコースティック ギターのピックアップ、ディーゼル燃料インジェクターなど、幅広い用途に使用されています。

これまで知られている圧電材料はすべて固体でした。 今回、科学者たちは圧電液体を初めて発見しました。 彼らは、3月9日にJournal of Physical Chemistry Lettersにオンライン掲載された研究でその発見の詳細を発表した。

「私たちが現在知っていることに基づいて、電気制御光学系は実現可能です。」—ゲイリー・ブランチャード、ミシガン州立大学

研究者たちはイオン液体を実験しました。 これらの流体は塩 (正に帯電したカチオンと負に帯電したアニオンの両方から構成される化合物) であり、異常に低い温度では液体になります。 対照的に、食卓塩は約 800 °C で溶けます。

「それらは比較的粘性が高いことが多いです。モーターオイルやメープルシロップのようなものだと考えてください」と、研究著者の一人でミシガン州立大学イーストランシング校の化学教授ゲイリー・ブランチャード氏は言う。

ブランチャード氏は、チームは液体状態の塩（イオン液体としても知られる）の基本特性をよりよく理解することを目的とした標準的な実験を行っていたと述べた。 研究チームは、室温の 2 つの異なるイオン液体が、ピストンによってシリンダー内に押し込まれるとそれぞれ電気を発生することを発見しました。 研究者らが観察した効果の強さは、加えられた力に直接比例しました。

「それを見て私たちはとてもショックを受けました」とブランチャードは言う。 「液体中の圧電効果をこれまで誰も見たことがありませんでした。」

Blanchard らは、これらのイオン液体の光学特性が電流に応じて劇的に変化する可能性があることを発見しました。 たとえば、研究者らがこれらの液体をレンズ型の容器に入れると、電荷によって液体が光を曲げる度合いが変化し、「レンズの焦点距離が変化する」ことがわかったとブランチャード氏は言う。

圧電液体がどのような用途に使用できるかは依然として不明です。 少なくとも、これらの流体の変化可能な光学特性は、「現在わかっていることに基づいて、電気的に制御される光学系が実現可能である」ことを示唆している、とブランチャード氏は言う。

もし電気が圧電性固体と同じように圧電性液体の寸法を変化させるのであれば、「圧電油圧学の新しい分野を想像できるかもしれない」とブランチャード氏は付け加えた。

「液体から圧電応答を探そうとはほとんど考えられないでしょう。したがって、液体の中で圧電応答が見つかったという事実は、本当に驚きでした。」—ゲーリー・ブランチャード、ミシガン州立大学

さらに、多くの圧電固体は環境に危険をもたらす可能性があります。 たとえば、最も一般的に使用される圧電セラミックである PZT には鉛が含まれています。 対照的に、室温のイオン液体は一般に、多くの一般的な圧電材料よりもはるかにリサイクル可能で環境に優しいと研究者らは言う。

さらに、所望の形状およびサイズの圧電コンポーネントを作成することは困難であることが判明する場合があります。 対照的に、圧電液体はより幅広い設計の機会を提供する可能性があるとブランチャード氏は言います。

圧電気がどのように起こるかを理解することに関しては、これまでの研究で、機械的な力によって固体の構造が変形し、固体内の電荷が移動するときにその効果が生じることがわかっています。 逆に、これらの材料に電荷が加わると、その構造が歪みます。

「これらのことはどちらも、素材内で実質的な構成を必要とします」とブランチャード氏は言います。 液体の基本的な前提は、それらの物質には永続的な秩序が存在しないということです。 その結果、液体からの圧電応答を探そうとはほとんど考えられないでしょう。 したがって、液体の中で発見されたという事実は本当に驚きでした。」

研究者らは、イオン液体に機械的な力を加えると、これらの液体内で電荷が分離し、電流が発生するのではないかと考えています。 しかし、「液体中で圧電がどのように発生するのかという基本的なメカニズムを解明しようとしている最中です」とブランチャード氏は言う。 「私たちは単純な理論的説明を無視する効果に遭遇しました。」

これらの室温のイオン液体で見られる圧電効果は、広く使用されている圧電材料である石英で見られる圧電効果よりもおよそ 1 桁小さかった。 しかし、「より大きな効果をもたらす可能性のある他のイオン液体があるかどうかはわかりません」とブランチャード氏は言う。

圧電液体については、圧電効果の強さや速度を向上させるためにこれらの液体を改変する方法があるかどうかなど、不明な点がまだ多く残っています。 また、これらの流体内で電荷がどのように移動するか、つまり、電線内で電気がどのように移動するかのように、空間を横切る帯電イオンのゆっくりとした拡散や、分子間のより急速な電荷交換によってどのように移動するのかも不明である。

「私たちは未知の領域にいる」とブランチャード氏は言う。 「この一連の材料がどのように機能するのか、その背後にあるメカニズムをよりよく理解できれば、それが何ができるのか、どのような用途に役立つのかをよりよく理解できるようになるでしょう。」