Flüssige Salze bringen Push

Apr 02, 2023

Wissenschaftler haben die ersten bekannten piezoelektrischen Flüssigkeiten entdeckt, die mechanische Kraft in elektrische Ladung umwandeln können und umgekehrt. Die im Allgemeinen umweltfreundliche Natur dieser Materialien lässt darauf schließen, dass sie über die standardmäßigen piezoelektrischen Verbindungen hinaus viele Anwendungen finden könnten, beispielsweise in neuartigen, elektrisch gesteuerten Optiken und Hydrauliksystemen. Es bleibt jedoch noch viel Unbekanntes darüber, wie sie funktionieren und wozu sie möglicherweise in der Lage sind.

Piezoelektrizität wurde erstmals im Jahr 1880 entdeckt. Der Effekt hat seitdem ein breites Anwendungsspektrum gefunden, darunter Mobiltelefonlautsprecher, Tintenstrahldrucker, Ultraschallbildgebung, Sonargeräte, Drucksensoren, Tonabnehmer für Akustikgitarren und Dieselkraftstoffinjektoren.

Bisher waren alle bekannten piezoelektrischen Materialien massiv. Jetzt haben Wissenschaftler erstmals piezoelektrische Flüssigkeiten entdeckt. Sie erläuterten ihre Ergebnisse in einer Studie, die am 9. März online im Journal of Physical Chemistry Letters veröffentlicht wurde.

„Elektrisch gesteuerte Optik ist machbar, basierend auf dem, was wir jetzt wissen.“ – Gary Blanchard, Michigan State University

Die Forscher experimentierten mit ionischen Flüssigkeiten. Bei diesen Flüssigkeiten handelt es sich um Salze – Verbindungen, die jeweils aus einem positiv geladenen Kation und einem negativ geladenen Anion bestehen – die bei ungewöhnlich niedrigen Temperaturen flüssig sind. Im Vergleich dazu schmilzt Speisesalz bei etwa 800 ºC.

„Sie sind oft relativ viskos – man kann sie sich wie Motoröl oder Ahornsirup vorstellen“, sagt Gary Blanchard, einer der Autoren der Studie und Professor für Chemie an der Michigan State University in East Lansing.

Laut Blanchard führte das Team Standardexperimente durch, um die grundlegenden Eigenschaften von Salzen im flüssigen Zustand (auch als ionische Flüssigkeiten bekannt) besser zu verstehen. Das Team fand heraus, dass zwei verschiedene ionische Flüssigkeiten mit Raumtemperatur jeweils Elektrizität erzeugten, wenn ein Kolben sie in einen Zylinder drückte. Die Stärke des von den Forschern beobachteten Effekts war direkt proportional zur ausgeübten Kraft.

„Es hat uns zutiefst schockiert, das zu sehen“, sagt Blanchard. „Niemand hatte jemals zuvor den piezoelektrischen Effekt in Flüssigkeiten gesehen.“

Blanchard und seine Kollegen fanden heraus, dass sich die optischen Eigenschaften dieser ionischen Flüssigkeiten als Reaktion auf elektrischen Strom dramatisch ändern können. Als die Forscher diese Flüssigkeiten beispielsweise in einen linsenförmigen Behälter gaben, stellten sie fest, dass eine elektrische Ladung verändern konnte, wie stark die Flüssigkeiten das Licht beugten, und „die Brennweite der Linse veränderte“, sagt Blanchard.

Es bleibt ungewiss, welche Anwendungen piezoelektrische Flüssigkeiten haben könnten. Zumindest legen die veränderlichen optischen Eigenschaften dieser Flüssigkeiten nahe, dass „elektrisch gesteuerte Optiken machbar sind, allein auf der Grundlage dessen, was wir jetzt wissen“, sagt Blanchard.

Wenn Elektrizität dazu führt, dass sich die Dimensionen piezoelektrischer Flüssigkeiten genauso ändern wie bei piezoelektrischen Festkörpern, „könnte man sich ein neues Gebiet der Piezohydraulik vorstellen“, fügt Blanchard hinzu.

„Man würde kaum auf die Idee kommen, bei einer Flüssigkeit nach einer piezoelektrischen Reaktion zu suchen. Die Tatsache, dass wir eine solche in einer Flüssigkeit gefunden haben, war daher eine echte Überraschung.“ – Gary Blanchard, Michigan State University

Darüber hinaus können viele piezoelektrische Feststoffe eine Gefahr für die Umwelt darstellen. Beispielsweise enthält die am häufigsten verwendete piezoelektrische Keramik, PZT, Blei. Im Gegensatz dazu sind ionische Flüssigkeiten bei Raumtemperatur im Allgemeinen deutlich recycelbarer und umweltfreundlicher als viele gängige piezoelektrische Materialien, sagen die Forscher.

Darüber hinaus kann es sich als schwierig erweisen, piezoelektrische Komponenten in den gewünschten Formen und Größen herzustellen. Im Gegensatz dazu könnten piezoelektrische Flüssigkeiten ein breiteres Spektrum an Designmöglichkeiten bieten, sagt Blanchard.

Wenn es darum geht, zu verstehen, wie Piezoelektrizität entsteht, haben frühere Forschungen herausgefunden, dass der Effekt in Festkörpern auftritt, wenn eine mechanische Kraft ihre Strukturen verformt, wodurch elektrische Ladungen in ihnen verschoben werden. Umgekehrt verzerrt eine auf diese Materialien ausgeübte elektrische Ladung ihre Strukturen.

„Beide Dinge erfordern eine umfassende Organisation innerhalb eines Materials“, sagt Blanchard. Die Grundannahme bei Flüssigkeiten ist, dass es in diesen Materialien keine dauerhafte Ordnung gibt. Folglich würde man kaum auf die Idee kommen, bei einer Flüssigkeit nach einer piezoelektrischen Reaktion zu suchen. Dass wir eines in einer Flüssigkeit gefunden haben, war daher eine echte Überraschung.“

Die Forscher vermuten, dass die Anwendung mechanischer Kräfte auf ionische Flüssigkeiten dazu führen kann, dass sich elektrische Ladungen in diesen Flüssigkeiten trennen und so einen elektrischen Strom erzeugen. „Wir sind jedoch immer noch dabei, die grundlegenden Mechanismen herauszufinden, die der Entstehung von Piezoelektrizität in Flüssigkeiten zugrunde liegen“, sagt Blanchard. „Wir sind auf einen Effekt gestoßen, der sich einer einfachen theoretischen Erklärung entzieht.“

Der in diesen Raumtemperatur-ionischen Flüssigkeiten beobachtete piezoelektrische Effekt war etwa eine Größenordnung kleiner als der in Quarz, einem weit verbreiteten piezoelektrischen Material. Allerdings „haben wir keine Ahnung, ob es andere ionische Flüssigkeiten gibt, die eine größere Wirkung haben könnten“, sagt Blanchard.

Über piezoelektrische Flüssigkeiten ist noch viel Unbekanntes bekannt, beispielsweise ob es Möglichkeiten gibt, diese Flüssigkeiten zu modifizieren, um die Stärke oder Geschwindigkeit ihrer piezoelektrischen Effekte zu verbessern. Es ist auch ungewiss, wie sich elektrische Ladung in diesen Flüssigkeiten bewegt – durch die langsame Diffusion elektrisch geladener Ionen durch den Raum oder den schnelleren Austausch elektrischer Ladung zwischen Molekülen, ähnlich wie sich Elektrizität in Drähten bewegt.

„Wir befinden uns auf Neuland“, sagt Blanchard. „Sobald wir die Mechanismen besser verstehen, die dahinterstecken, wie diese Materialfamilie ihre Aufgabe erfüllt, können wir viel besser einschätzen, wozu sie in der Lage sein könnte und für welche Anwendungen sie nützlich sein könnte.“