ग्रीक व्युत्पत्तीनुसार “पिझो” म्हणजे दाब आणि म्हणून जे पदार्थ दाबाचा – यांत्रिक प्रतिबलाचा म्हणजे एकक क्षेत्रफळावरील प्रेरणेचा – वापर केल्यानंतर विद्युतभाराची निर्मिती करतात त्यांना “दाबविद्युत पदार्थ” असे म्हणतात. हे पदार्थ दाबविद्युत परिणाम दर्शवितात. ह्या परिणामाचा शोध प्येअर क्यूरी आणि झाक क्यूरी (Pierre Curie & Jacques Curie) या क्यूरी बंधूंनी १८८० मध्ये लावला. त्यानंतर १८८१ मध्ये गॅब्रिएल लिपमान (Gabriel Lippman) ह्यांनी “विरुद्ध दाबविद्युत परिणामाचा ” शोध लावला, ज्यानुसार हे पदार्थ विद्युत भार अथवा क्षेत्राचा वापर केल्यानंतर स्वतःच्या परिमाणांमध्ये बदल घडवून आणतात (आकृती).
विसाव्या शतकाच्या प्रारंभी क्वार्ट्झ आणि रोचेल लवण असे ठरावीक दाबविद्युत पदार्थ वापरात होते, परंतु दुसऱ्या महायुद्धादरम्यान “बेरियम टिटॅनेट”(BaTiO3) याच्या शोधाने या क्षेत्रातील तंत्रज्ञानाच्या प्रगतीस हातभार लागला. बेरियम टिटॅनेटचा शोध स्वतंत्र रीत्या अमेरिका, जपान आणि तत्कालीन सोविएत रशिया या देशांमध्ये लागला. या पदार्थाचा शोध लागेपर्यंत असा मतप्रवाह होता की, केवळ एकस्फटिकीय दाबविद्युत पदार्थच दाबविद्युत परिणाम दर्शवितात, परंतु आर. बी. ग्रे यांनी असे सिद्ध केले की, बहुस्फटिकीय पदार्थदेखील दाबविद्युत परिणाम दर्शवितात. ग्रे यांच्या शोधामुळे या क्षेत्रातील संशोधन आणि निर्मितीस मोठा हातभार लागला, म्हणूनच ग्रे यांना “दाबविद्युत मृत्तिका (Ceramic) पदार्थांचे जनक संबोधले जाते. त्यानंतरच्या संशोधनातून लेड झिऱ्रकोनेट टिटॅनेट या नवीन दाबविद्युत पदार्थाची निर्मिती करण्यात आली. या नवीन दाबविद्युत पदार्थाचे गुणधर्म बेरियम टिटॅनेटपेक्षा अधिक चांगले असल्याने विविध उपकरणांमध्ये त्याचा वापर वाढीस लागला. त्याचबरोबर लेड झिरकोनेट टिटॅनेटचे वैशिष्ट्य हे की, बेरियम टिटॅनेटपेक्षा अधिक तापमानाला वापरता येते. सर्वसाधारणपणे व्यावहारिक उपयोगासाठी बेरियम टिटॅनेट वापरायचे असेल तर जेथे सरासरी तापमान ६०° सेल्सिअसपेक्षा जास्त नाही अशाच ठिकाणी ते वापरता येते, परंतु लेड झिरकोनेट टिटॅनेट जेथे सरासरी तापमान २००° सेल्सिअसपर्यंत आहे अशा उपकरणांमध्ये वापरता येते. मात्र लेड झिरकोनेट टिटॅनेटाचा मुख्य दोष हा की, त्यामध्ये लेड म्हणजे शिसे असल्यामुळे ते मानवी प्रकृतीस तसेच पर्यावरणास हानिकारक आहे. म्हणूनच विसाव्या शतकामध्ये लेड झिरकोनेट टिटॅनेटाला पर्यायी दाबविद्युत पदार्थ निर्माण करण्याचे प्रयत्न सुरू झाले परंतु, त्या वेळी त्यांना व्यावसायिक यश प्राप्त झाले नाही.
तथापि, लेड झिरकोनेट टिटॅनेटचे विषारी गुणधर्म लक्षात घेऊन एकविसाव्या शतकाच्या सुरुवातीला युरोपियन महासंघाने असे जाहीर केले की, पुढील काळामध्ये टप्प्याटप्प्याने लेड झिरकोनेट टिटॅनेटला पर्यायी ठरतील अशा पदार्थांची निर्मिती करण्यात यावी आणि त्यांचा वापर विविध उपकरणांमध्ये करण्यात यावा. या निर्णयामुळे जगभर शिसेविरहित दाबविद्युत मृत्तिका पदार्थांच्या संशोधन कार्यास मोठी चालना मिळाली. या सर्व प्रयत्नांचा परिपाक म्हणजे लेड झिरकोनेट टिटॅनेटला पर्यायी ठरू शकतील असे विविध दाबविद्युत पदार्थ निर्माण करण्यात शास्त्रज्ञांना यश आले आहे.उदाहरणार्थ,अल्कली नायोबेट, बेरियम व सोडियम नायोबेट, बेरियम, कॅल्शियम, झिरकोनियम व टिटॅनियम ऑक्साइडे इत्यादी. परंतु आजच्या घडीला सर्वच उपकरणांमध्ये लेड झिरकोनेट टिटॅनेटाच्या जागी शिसे विरहीत दाबविद्युत मृत्तिका पदार्थ वापरण्यात येत आहेत असे नाही. शिसेविरहीत दाबविद्युत मृत्तिका पदार्थ अद्यापही पूर्णपणे व्यावसायिक वापरात नाहीत.कारण कोणताही दाबविद्युत मृत्तिका पदार्थ जर एखाद्या उपकरणामध्ये वापरायचा असेल तर सर्वात महत्त्वाचा गुणधर्म हा “दाबविद्युत गुणांक” असतो. अनेक नवीन शिसेविरहीत दाबविद्युत मृत्तिका पदार्थ गेल्या दहा वर्षांत निर्माण केले गेले असले तरीही त्यांतील बहुतांश पदार्थांचा दाबविद्युत गुणांक लेड झिरकोनेट टिटॅनेटपेक्षा कमी आहे. काही शिसेविरहीत दाबविद्युत मृत्तिका पदार्थांचा उदाहरणार्थ, बेरियम, कॅल्शियम, झिरकोनियम व टिटॅनियम ऑक्साइडे दाबविद्युत गुणांक लेड झिरकोनेट टिटॅनेटला समतुल्य किंवा अधिक आहे; परंतु त्यांचे क्यूरी तापमान हे लेड झिरकोनेट टिटॅनेटपेक्षा कमी असल्यामुळे असे पदार्थ उपकरणांमध्ये वापरता येत नाहीत. संशोधनाअंती लेड झिरकोनेट टिटॅनेटला एकच वैश्विक अशा पर्यायी पदार्थाची निर्मिती करणे अतिशय कठीण आहे. ज्या विशिष्ट उपकरणामध्ये शिसेविरहीत दाबविद्युत पदार्थ वापरावयाचे आहेत त्या उपकरणाला पोषक असा पदार्थ वापरावा की, जो केवळ त्या उपकरणाकरिता – वापराकरिता – लेड झिरकोनेट टिटॅनेटला त्याच्या गुणधर्मांच्या आधारे समतुल्य असेल, याचाच अर्थ, एका विशिष्ट वापरासाठी जे महत्त्वाचे “कार्यरत घटक” जो शिसेविरहीत दाबविद्युत पदार्थ दर्शवेल तो पदार्थ त्या विशिष्ट उपकरणात वापरण्यात यावा. उदाहरणार्थ, वर उल्लेखिल्याप्रमाणे बेरियम, कॅल्शियम, झिरकोनियम व टिटॅनियम ऑक्साइडांचा “दाबविद्युत गुणांक” लेड झिरकोनेट टिटॅनेटला समतुल्य किंबहुना अधिक आहे, परंतु त्याचे क्यूरी तापमान लेड झिरकोनेट टिटॅनेटपेक्षा बरेच कमी – सामान्यतः ९०° सेल्सिअस – आहे,म्हणून वापरण्यात येणाऱ्या उपकरणाचे तापमान जर कायम ४५ – ५०° सेल्सिअसपेक्षा कमी राहणार असेल – सर्वसाधारणपणे क्यूरी तापमानाच्या निम्मे -, तर बेरियम, कॅल्शियम, झिरकोनियम व टिटॅनियम ऑक्साइडे निश्चितपणे लेड झिरकोनेट टिटॅनेटच्या जागी वापरता येऊ शकेल.
भविष्यात निर्माण होऊ घातलेल्या नवीन जेट इंजिने, रेणवीय – परमाणू – तंत्रज्ञान इ. ठिकाणी असणारे तापमान लेड झिरकोनेट टिटॅनेटच्या क्यूरी तापमानापेक्षा जास्त असणार आहे आणि साहजिकच अशा प्रकारच्या उपकरणांमध्ये लेड झिरकोनेट टिटॅनेट वापरता येणार नाही. त्यामुळे ज्यांचे क्यूरी तापमान लेड झिरकोनेट टिटॅनेटच्या क्यूरी तापमानापेक्षा अधिक असेल अशा नवीन दाबविद्युत पदार्थांची निर्मिती मोठ्या प्रमाणावर करणे क्रमप्राप्त बनले आहे.आतापर्यंतच्या संशोधनातून असे दाबविद्युत पदार्थ बनविण्यात शास्त्रज्ञांना यश आलेले आहे. उदाहरणार्थ,बिस्मथ स्तरीय [ P = धृवीकरण, F = दाब, V = विभवांतर ]
पेरोव्हस्काइट, पेरोव्हस्काइट स्तरीय पदार्थ इत्यादी; काही नवीन स्तरीय पेरोव्हस्काइट पदार्थांचे क्यूरी तापमान १४००° सेल्सिअसपेक्षाही जास्त आहे आणि म्हणूनच असे पदार्थ उच्च तापमान दाबविद्युत पदार्थ म्हणून वापरता येतील. प्रत्येक लोहविद्युत पदार्थ हा दाबविद्युत पदार्थ असतो परंतु प्रत्येक दाबविद्युत पदार्थ लोहविद्युत पदार्थ असेलच असे नाही आणि म्हणून असे दाबविद्युत पदार्थ जे केवळ त्यांच्या अंगभूत अकेन्द्रीसममितीय स्फटिकरचनेमुळे दाबविद्युत परिणाम दर्शवितात,परंतु विद्युत क्षेत्रामुळे ज्यांचे ध्रुवीकरण होत नाही असे पदार्थही उच्च तापमान दाबविद्युत यंत्रणांमध्ये उपयुक्त ठरतात. उदाहरणार्थ, दुर्मीळ मृत्तिका कॅल्शियम ऑक्सिबोरेट दाबविद्युत परिणाम दर्शवितात, परंतु त्यांचे ध्रुवीकरण होत नसल्याने त्यांचे पराविद्युत अवस्थेत रूपांतर होत नाही. अशा पदार्थांमध्ये वापरातील तापमानावर क्यूरी तापमानाच्या अनुषंगाने लोहविद्युत पदार्थांप्रमाणे कोणतेही बंधन नसते.
केवळ मृत्तिका पदार्थच दाबविद्युत परिणाम दर्शवितात असे नाही. काही बहुवारिकेदेखील दाबविद्युत परिणाम दर्शवितात. उदाहरणार्थ,पॉलीव्हिनिलिडीन फ्ल्युओराइड, पॉलीअक्रिलो नायट्राइल इत्यादी. ही बहुवारिके सर्वसाधारणपणे मृत्तिका पदार्थांपेक्षा जास्त विद्युत क्षेत्र सहन करू शकतात आणि लवचिक इलेक्ट्रॉनीय उपकरणांमध्ये त्यांचा वापर करता येतो; परंतु त्यांचा द्रवणांक मृत्तिका पदार्थांपेक्षा कमी असल्याने त्यांचा वापर बव्हंशी सामान्य तापमानालाच करावा लागतो. त्याचप्रमाणे काचेमध्ये लोहविद्युत स्फटिकांची वाढ करून काच मृत्तिका पदार्थ निर्माण केल्यास तेही दाबविद्युत परिणाम दर्शवितात.
संदर्भ :
- Uchino,K,Advanced Piezoelectric Materials, Woodhead Publishing House,Cambridge, 2010.
- Moulson, A.J. ; Herbert, J. M., Electro ceramics: Materials, Properties, Applications,
John Wiley & Sons, Ltd, Second edition, West Sussex, UK, 2003. - Kasap, S.O.; Principles of Electronic Materials and Devices, McGraw-Hill Global Education, Third edition, New York, 2006.
समीक्षक – बाळ फोंडके