ワット・インサイド

Aug 24, 2023

圧電効果は、特定の材料が機械的応力または変形に応じて電荷を生成し、逆に電場にさらされると変形する能力を示す興味深い現象です。 この独特の挙動は、これらの材料内の原子の配置から生じ、結晶格子構造に非対称性が生じます。 圧力やひずみが材料に加わると、格子が歪み、材料の表面に電荷が発生します。 この効果は 1880 年にジャック キュリーとピエール キュリーによって初めて発見され、それ以来さまざまな分野で多様な応用が見出されてきました。

この技術の用途は、正確な動作制御のためのアクチュエータ、圧力、加速度、振動を測定するためのセンサー、さらにはマイクや超音波センサーなどの音響トランスデューサーの開発にあります。 さらに、圧電材料は、携帯機器の機械振動を電気エネルギーに変換するエナジーハーベスティングに使用されます。 これにより、遠隔地にある低エネルギー電子機器やウェアラブル テクノロジーに電力を供給できる可能性があり、従来の電源への依存が軽減されます。

圧電材料の独特な特性は、従来の電池の必要性を排除するために、圧電材料を埋め込み型医療機器に電力を供給するために使用することへの関心を引き起こしました。 ただし、これらの材料のほとんどは硬くて脆く、さらに悪いことに、鉛や石英などの有毒物質が含まれていることがよくあります。 アミノ酸は生体適合性のある代替物として独立していますが、強い圧電効果を発揮するには、分子が正しい方向に整列している必要があります。 同じ方向に配向したアミノ酸のフィルムを製造することは、これまでのところ大規模に行うのが非常に困難であることが証明されています。

香港科技大学の研究者らが開発した新しい技術により、近いうちに生体適合性と生分解性の医療機器の製造が可能になる可能性がある。 彼らは、彼らの方法により、広い表面積を覆う規則的な配向を持った自己組織化されたアミノ酸の薄い層を生成できることを実証しました。 これらの薄膜は強力な圧電効果を示し、これを利用して筋肉のストレッチ、呼吸、血流、その他の体の動きから電気を生成できます。 将来的には、これらのシートはペースメーカー、バイオセンサー、その他のデバイスに電力を供給する可能性があります。 そして、仕事が終わったら、安全に解散することができます。

研究の過程で、チームはアミノ酸のβ-グリシンが非常に強い圧電応答を持っていることを発見しました。 そのため、彼らは電気流体力学スプレー法を使用したバイオ有機フィルムプリンターでこのアミノ酸のナノ結晶フィルムを製造しました。 スプレー中に、ナノマイクロ液滴の形成を助けるために、ノズル先端と導電性支持体との間に電場が印加される。 ナノマイクロ液滴のサイズが非常に小さいため、水は非常に早く蒸発します。 そして、これは、結果として得られる生体分子フィルムにおいて、β-グリシン分子を一貫した方法で配向させるのに役立ちます。

研究を主導した研究者の一人は、「研究では、β-グリシン膜全体にわたって均一に高い圧電応答と優れた熱安定性が示された」と述べています。 β-グリシンナノ結晶フィルムの優れた出力性能、自然な生体適合性、生分解性は、埋め込み型バイオセンサー、生体吸収性エレクトロニクス用のワイヤレス充電電源、スマートチップ、その他の生体医工学目的など、高性能の一時的な生体電気機械応用に実用的な意味を持ちます。 」

現在、チームはフィルムを自然の生体組織と同じくらい柔軟にすることを期待して、手法の改良を続けています。 また、フィルムを低コストで大量生産する方法も検討している。 これらの目標が達成された後、彼らは動物モデルで実験を実施して、埋め込み型医療機器に電力を供給する新技術の可能性を示す予定です。