Transparent piezoelectrics are highly desirable for numerous hybrid ultrasound–optical devices ranging from photoacoustic imaging transducers to transparent actuators for haptic applications1–7. However, it is challenging to achieve high piezoelectricity and perfect transparency simultaneously because most high-performance piezoelectrics are ferroelectrics that contain high-density light-scattering domain walls. Here, through a combination of phase-field simulations and experiments, we demonstrate a relatively simple method of using an alternating-current electric field to engineer the domain structures of originally opaque rhombohedral Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT) crystals to simultaneously generate near-perfect transparency, an ultrahigh piezoelectric coefficient d33 (greater than 2,100 picocoulombs per newton), an excellent electromechanical coupling factor k33 (about 94 per cent) and a large electro-optical coefficient γ33 (approximately 220 picometres per volt), which is far beyond the performance of the commonly used transparent ferroelectric crystal LiNbO3. We find that increasing the domain size leads to a higher d33 value for the [001]-oriented rhombohedral PMN-PT crystals, challenging the conventional wisdom that decreasing the domain size always results in higher piezoelectricity8–10. This work presents a paradigm for achieving high transparency and piezoelectricity by ferroelectric domain engineering, and we expect the transparent ferroelectric crystals reported here to provide a route to a wide range of hybrid device applications, such as medical imaging, self-energy-harvesting touch screens and invisible robotic devices. The use of alternating-current electric fields to control domain size in ferroelectric crystals affords excellent transparency, piezoelectricity and birefringence.

Betanin is a water-soluble red-violet pigment belonging to the betacyanins family. It has become more and more attractive for its natural food colorant properties and health benefits. However, the commercial production of betanin, typically extracted from red beetroot, faces economic and sustainability challenges. Microbial heterologous production therefore offers a promising alternative. Here, we performed combinatorial engineering of plant P450 enzymes and precursor metabolisms to improve the de novo production of betanin in Saccharomyces cerevisiae. Semirational design by computer simulation and molecular docking was used to improve the catalytic activity of CYP76AD. Alanine substitution and site-directed saturation mutants were screened, with a combination mutant showing an approximately 7-fold increase in betanin titer compared to the wild type. Subsequently, betanin production was improved by enhancing the l-tyrosine pathway flux and UDP-glucose supply. Finally, after optimization of the fermentation process, the engineered strain BEW10 produced 134.1 mg/L of betanin from sucrose, achieving the highest reported titer of betanin in a shake flask by microbes. This work shows the P450 enzyme and metabolic engineering strategies for the efficient microbial production of natural complex products.

Green cellulose and toxic-free/rare earth-free nanomaterials are promising towards the development of triboelectric nanogenerators (TENGs) as energy harvesters for sustainable electronics. In this study, ethylcellulose (EC) and bismuth sodium titanate-barium zirconate titanate (BNT-BZT) are used as raw materials. An EC and BNT-BZT composite fiber mat was prepared by electrospinning and used as a positive triboelectric layer in a friction nanogenerator, while fluorinated ethylene propylene (FEP) was used as a negative triboelectric layer. After optimizing the electrospinning parameters and characterizing the materials, the developed TENG output power was studied as a function of the BNT-BZT doping concentration in the EC. At 2 wt% of doping, the output voltage of the TENG has a 3-fold increase compared with that obtained with a pure EC mat as the positive triboelectric layer. In addition, the TENG showed good output performance and operating stability after exposure to high temperature (70 ºC) and relative humidity (90 %). The maximum output power density of 134 μW/cm2 was obtained at a load resistance of 210 MΩ, showing good prospects in powering Internet of Things (IoT) sensor nodes.

Abstract Piezoelectricity, a fundamental property of perovskite ferroelectrics, endows the materials at the heart of electromechanical systems spanning from macro to micro/nano scales. Defect engineering strategies, particularly involving heterovalent trace impurities and derived vacancies, hold great potential for adjusting piezoelectric performance. Despite the prevalent use of defect engineering for modification, a comprehensive understanding of the specific features that positively impact material properties is still lacking, this knowledge gap impedes the advancement of a universally applicable defect selection and design strategy. In this work, we select perovskite KTa 1− x Nb x O 3 single crystals with orthorhombic phase as the matrix and introduce Fe and Mn elements, which are commonly used in “hard” ferroelectrics as dopants. We investigate how transition-metal doping modifies piezoelectric properties from the perspective of intrinsic polarization behaviors. Interestingly, despite both being doped into the B-site as an acceptor, Mn doping enhances the local structural heterogeneity, greatly bolstering the piezoelectric coefficient beyond 1000 pC/N, whereas Fe doping tends to stabilize the polarization, leading to a substantial improvement in the mechanical quality factor up to 700. This work deciphers the diverse impacts of transition metal impurities on regulating polarization structures and modifying piezoelectric properties, providing a good paradigm for strategically designing perovskite ferroelectrics.