Progettazione e sviluppo di un setup sperimentale per la caratterizzazione della risposta delle nanoparticelle piezoelettriche agli ultrasuoni

Abstract

Questo studio indaga la risposta elettro-meccanica delle nanoparticelle piezoelettriche di titanio di bario (BTNPs) sotto stimolazione ad ultrasuoni (US) a 1 MHz. L'obiettivo della ricerca era rilevare e amplificare il campo elettrico generato da queste nanoparticelle, concentrandosi sull'ottimizzazione dei setup sperimentali e dei sistemi di amplificazione del segnale. Inizialmente è stato esplorato un modello teorico che potesse fornire una stima del campo generato sotto stimolazione US. Successivamente, è stata condotta una verifica sperimentale effettuando misurazioni potenziometriche tramite microelettrodi. In particolare, è stato utilizzato un sistema commerciale di MicroElectrode Array (MEA) per l'acquisizione del segnale, in presenza di BTNPs rivestite con gomma arabica e US generato da un trasduttore piezoelettrico immerso in soluzione acquosa. A causa della larghezza di banda limitata del sistema di registrazione commerciale, è stata progettata una scheda elettronica per amplificare il potenziale registrato all'interfaccia del microelettrodo a 1 MHz, nonché l'implementazione di tecniche di poling e orientamento per migliorare la risposta elettrica delle BTNPs. Nonostante l'applicazione di varie configurazioni sperimentali volte ad aumentare la stabilità del setup, inclusa la possibilità di posizionare il trasduttore US a diverse altezze e di effettuare misurazioni in condizioni diverse, i risultati sono stati in gran parte compromessi dal rumore elettrico e da problemi legati al distacco delle nanoparticelle durante la stimolazione ad ultrasuoni, oltre alla bassa riproducibilità delle misurazioni. Sebbene la realizzazione e l'ottimizzazione dei processi di poling e orientamento siano state raggiunte con successo, non è stato possibile valutarne l'efficacia nel migliorare la risposta elettrica.

This study investigates the electro-mechanical response of barium titanate piezoelectric nanoparticles (BTNPs) under ultrasound (US) stimulation at 1 MHz. The objective of the research was to detect and amplify the electric field generated by these nanoparticles, focusing on the optimization of experimental setups and signal amplification systems. Initially, a theoretical model was explored, which could provide an estimate of the field generated under US stimulation. Subsequently, an experimental verification was conducted by performing potentiometric measurements using microelectrodes. Specifically, a commercial MicroElectrode Array (MEA) system was used for signal acquisition, in the presence of BTNPs coated with Arabic gum and US generated by a piezoelectric transducer immersed in water solution. Due to the limited bandwidth of the commercial recording system we then designed an electronic board to amplify the potential recorded at the microelectrode interface at 1 MHz, as well as the implementation of poling and orientation techniques to enhance the electrical response of the BTNPs. Despite the application of various experimental configurations aimed at increasing the setup stability, including the possibility of positioning the US transducer at different heights and performing measurements under different conditions, the results were largely compromised by electrical noise and issues related to nanoparticle detachment during ultrasound stimulation, as well as the low reproducibility of the measurements. Although the realization and optimization of the poling and orientation processes were successfully achieved, it was not possible to assess their effectiveness in improving the electrical response. The study highlights several challenges, including the variability of results, coupling phenomena, and the difficulty in achieving stable adhesion between nanoparticles and the electrode surface under ultrasonic excitation.