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Piezoeffekt: Mehr Schwung unter Druck

Elektrische Spannung sorgt für Bewegung, und Bewegung sorgt für Spannung - dieses Grundprinzip bringt bestimmte Materialien in Uhren, Handys oder Ultraschallsendern zum Schwingen. Mit etwas zusätzlichem Druck könnte der Piezoeffekt vielleicht bedeutend stärker ausfallen.
Sie drücken auf die Taste Ihres Feuerzeugs, und sofort entzündet sich das ausströmende Gas. Sie senden eine Datei an den Tintenstrahldrucker, und ein schwingendes Bauteil zerstäubt die Tinte für ein gleichmäßiges Schriftbild. Sie gönnen sich nach der Arbeit ein bisschen Musik mit ihrem MP3-Spieler, und ein Kristall wandelt in den Ohrstöpseln die elektrischen Signale in hörbare Musik. Piezo-Bausteine haben längst unsere Alltagswelt durchdrungen – und ebenso Forschung und Technik.

Die Grundlage für das Zusammenspiel von mechanischem Druck und entstehender elektrischer Spannung – oder umgekehrt von einer angelegtem Spannung und der resultierenden Längenänderung – liegt im atomaren Aufbau piezoelektrischer Materialien. In ihnen bilden positive und negative Ladungen für gewöhnlich eine ausgeglichene Mischung, die nach außen keine Polarität erkennen lässt. Das ändert sich, wenn eine Kraft den Körper in der passenden Richtung zusammendrückt. Dabei trennen sich die positiven und negativen Ladungsschwerpunkte räumlich voneinander. Es entstehen mikroskopische Dipole, die sich zu einer messbaren Spannung an den Oberflächen des Materials addieren.

Bescheidene Ausmaße

Diesen Trick beherrschen aber nur einige nichtleitende Materialien wie zum Beispiel Verbunde aus Blei, Sauerstoff und Titan oder Zirkonium. Als PZT (aus den Anfangsbuchstaben der Formelzeichen Pb, Zr und Ti) erfreut es sich einer regen Nachfrage, doch ist das Ausmaß seines Piezoeffekts recht bescheiden: Nicht einmal um ein Tausendstel ändert das Material seine Länge.

Zwar können manche Stoffe sich besser strecken, doch handelt es sich dabei um komplexe Gemische, die aufwändig herzustellen und somit ziemlich teuer sind. Muhtar Ahart vom Carnegie Institution of Washington und seine Kollegen gingen nun einen anderen Weg: Sie nahmen einfaches und billiges Bleititanat (PbTiO3) und setzten es heftig unter Druck. Bis über zwanzig Gigapascal muteten sie dem Material zu, das 200 000-fache des atmosphärischen Luftdrucks oder etwa der Druck in 550 Kilometern Tiefe im Erdmantel. Gleichzeitig senkten sie seine Temperatur auf minus 263 Grad Celsius und beobachteten mit Röntgenstrahlung, wie sich die Tortur auf die Kristallstruktur auswirkte.

Verzerrte Strukturen

Die Geophysiker stellten fest, dass ihr Bleititanat mit zunehmendem Druck gleich mehrere Phasenübergänge durchmachte, in denen es die Anordnung seiner Atome veränderte. Waren die Elementarzellen zunächst noch tetragonal, wandelten sie sich bei zehn Gigapascal zur monoklinischen Form und bei zwanzig zur rhomboedrischen. Die Struktur wurde also innerlich verzerrt, was in den Übergangsbereichen mit einem besonders starken Piezoeffekt einhergeht.

Direkt nutzbar dürften die elektromechanischen Fähigkeiten des Materials wegen des extremen Drucks und der ungeheuer tiefen Temperatur, bei denen sie erst auftreten, nicht sein. Doch Aharts Team sieht eine Lösung für dieses Problem: Die Wissenschaftler wollen den Druck in die innere Chemie des Stoffes verlagern. Indem sie einen Teil der Blei-Atome durch kleinere Zinn-Atome ersetzen, hoffen sie, die Elementarzellen mechanisch vorzuspannen. Mit solchen und ähnlichen Modifikationen könnte der kleine Piezo-Effekt vielleicht auch bei wohligeren Bedingungen größer herauskommen. Elektrische Geräte, in die er sich noch einbauen lässt, werden sich dann sicherlich finden lassen.

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