p Todos os materiais ferroelétricos possuem uma propriedade conhecida como piezoeletricidade, na qual uma força mecânica aplicada pode gerar uma corrente elétrica e um campo elétrico aplicado pode provocar uma resposta mecânica. Materiais ferroelétricos são usados ​​em uma ampla variedade de aplicações industriais, de ultrassom e sonar a capacitores, transdutores, sensores de vibração e câmeras infravermelhas ultrassensíveis. Agora, uma equipe internacional de cientistas liderada pela Penn State pode ter resolvido o enigma de 30 anos de por que certos cristais ferroelétricos exibem respostas piezoelétricas extremamente fortes. p Em 1997, um cristal de solução sólida ferroelétrica relaxante com a maior resposta piezoelétrica conhecida foi relatado na Penn State por Thomas R. Shrout, atualmente cientista sênior e professor de ciência de materiais e engenharia na Penn State, e o falecido Parque Seung-Eek. Ele tem uma resposta piezoelétrica cinco a dez vezes maior do que qualquer outro material ferroelétrico conhecido.

p "Tem havido uma série de mecanismos propostos para explicar suas respostas piezoelétricas ultra-altas, mas nenhum deles oferece uma explicação satisfatória para todas as observações experimentais e medições associadas à alta resposta. Sem uma compreensão firme do mecanismo subjacente, seria difícil projetar novos materiais com resposta piezoelétrica ainda maior, "disse Fei Li, um pós-doutorado em ciência e engenharia de materiais na Penn State e autor principal de um artigo recente na revista Nature Communications tentando explicar o fenômeno.

p Contudo, a comunidade científica chegou a um consenso geral de que algo chamado de nanorregiões polares contribuiu para a alta resposta piezoelétrica dos cristais relaxantes, Li disse.

p Uma nanorregião polar é uma região espacial dentro de um cristal. Ele tem um tamanho em nanoescala (5-10 nm) e possui uma polarização elétrica líquida. Existem muitas dessas pequenas regiões distribuídas aleatoriamente no espaço em um cristal relaxante. Outros materiais piezoelétricos bem conhecidos, como titanato de zirconato de chumbo (PZT), não têm nanorregiões polares, mas, em vez disso, têm domínios ferroelétricos muito maiores nos quais a polarização é uniforme. A equipe se propôs a provar que as nanorregiões polares foram de fato responsáveis ​​pelas enormes respostas, e mais importante, para determinar o mecanismo pelo qual eles ajudam a gerar essas respostas enormes.

p Os experimentos foram realizados em temperaturas criogênicas ultrabaixas (50-150 K). Isso permitiu aos pesquisadores separar as respostas das nanorregiões polares, que permanecem ativos dentro dessa faixa de temperatura, daquelas altas respostas piezoelétricas que normalmente ocorrem perto de uma transição de fase ferroelétrica.

p "Observamos experimentalmente um aumento significativo da resposta piezoelétrica de cristais relaxores-ferroelétricos na faixa de temperatura de 50-150 K. Este aumento é responsável por 50-80% da piezoeletricidade à temperatura ambiente, "disse Shujun Zhang, autor sênior e professor de ciência e engenharia de materiais na Penn State (atualmente na University of Wollongong).

p "Atribuímos o aprimoramento observado experimentalmente à existência de nanorregiões polares. Usando a modelagem de campo de fase, provamos pela primeira vez que este aprimoramento significativo se originou das nanorregiões polares, ou seja, o realce está ausente sem a presença dessas nanorregiões polares, e, em seguida, demonstrou como as nanorregiões polares ajudam a gerar respostas ultra-altas, "disse Long-Qing Chen, um autor sênior e professor Donald Hamer de ciência e engenharia de materiais, Estado de Penn. “Nosso mecanismo proposto é capaz de explicar com sucesso todas as medições experimentais e observações associadas às altas respostas. Este trabalho é um passo importante na realização do sonho de descobrir novos materiais piezoelétricos por projeto.

p Uma nota de cautela

p "Contudo, deve-se notar que nosso modelo proposto é um modelo de mesoescala, que é uma escala intermediária. A origem atomística dos PNRs ainda é uma questão em aberto, então, pesquisas mais aprofundadas ainda são necessárias para esclarecer a contribuição das nanorregiões polares em escala atômica. E de fato, nosso trabalho em andamento está focado na compreensão dos mecanismos de escala atômica de nanorregiões polares em respostas piezoelétricas, "disse Chen.