p Pesquisadores da Columbia Engineering e do Georgia Institute of Technology relatam hoje que fizeram a primeira observação experimental da piezoeletricidade e do efeito piezotrônico em um material atomicamente fino, dissulfeto de molibdênio (MoS2), resultando em um gerador elétrico único e dispositivos de mecanosensação que são opticamente transparentes, extremamente leve, e muito flexível e extensível. p Em um artigo publicado online em 15 de outubro, 2014, no Natureza , grupos de pesquisa das duas instituições demonstram a geração mecânica de eletricidade a partir do material MoS2 bidimensional (2D). O efeito piezoelétrico neste material já havia sido previsto teoricamente.

p A piezoeletricidade é um efeito bem conhecido em que esticar ou comprimir um material faz com que ele gere uma voltagem elétrica (ou o inverso, em que uma tensão aplicada faz com que ele se expanda ou contraia). Mas para materiais com apenas algumas espessuras atômicas, nenhuma observação experimental de piezoeletricidade foi feita, até agora. A observação relatada hoje fornece uma nova propriedade para materiais bidimensionais, como dissulfeto de molibdênio, abrindo o potencial para novos tipos de dispositivos eletrônicos controlados mecanicamente.

p "Este material - apenas uma única camada de átomos - poderia ser feito como um dispositivo vestível, talvez integrado em roupas, para converter a energia do movimento do corpo em eletricidade e alimentar sensores vestíveis ou dispositivos médicos, ou talvez forneça energia suficiente para carregar seu celular no bolso, "diz James Hone, professor de engenharia mecânica da Columbia e co-líder da pesquisa.

p "A prova do efeito piezoelétrico e do efeito piezotrônico adiciona novas funcionalidades a esses materiais bidimensionais, "diz Zhong Lin Wang, Professor dos regentes na Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da Georgia Tech e co-líder da pesquisa. "A comunidade de materiais está animada com o dissulfeto de molibdênio, e demonstrar o efeito piezoelétrico nele adiciona uma nova faceta ao material. "

p Hone e seu grupo de pesquisa demonstraram em 2008 que o grafeno, uma forma 2D de carbono, é o material mais forte. Ele e Lei Wang, um pós-doutorado no grupo de Hone, têm explorado ativamente as novas propriedades de materiais 2D, como grafeno e MoS2, à medida que são esticados e comprimidos.

p Zhong Lin Wang e seu grupo de pesquisa foram os pioneiros no campo de nanogeradores piezoelétricos para converter energia mecânica em eletricidade. Ele e seu colega de pós-doutorado Wenzhuo Wu também estão desenvolvendo dispositivos piezotrônicos, que usam cargas piezoelétricas para controlar o fluxo de corrente através do material, assim como as tensões de porta fazem em transistores de três terminais convencionais.

p Existem duas chaves para usar dissulfeto de molibdênio para gerar corrente:usando um número ímpar de camadas e flexionando-o na direção correta. O material é altamente polar, mas, Zhong Lin Wang observa, portanto, um número par de camadas cancela o efeito piezoelétrico. A estrutura cristalina do material também é piezoelétrica apenas em certas orientações cristalinas.

p Para o Natureza estude, A equipe de Hone colocou flocos finos de MoS2 em substratos de plástico flexível e determinou como suas estruturas cristalinas eram orientadas usando técnicas ópticas. Eles então padronizaram eletrodos de metal nos flocos. Em pesquisa feita na Georgia Tech, O grupo de Wang instalou eletrodos de medição em amostras fornecidas pelo grupo de Hone, em seguida, mediu os fluxos de corrente à medida que as amostras foram deformadas mecanicamente. Eles monitoraram a conversão de energia mecânica em elétrica, e as saídas de tensão e corrente observadas.

p Os pesquisadores também notaram que a tensão de saída inverteu o sinal quando eles mudaram a direção da deformação aplicada, e que desapareceu em amostras com um número par de camadas atômicas, confirmando as previsões teóricas publicadas no ano passado. A presença de efeito piezotrônico na camada ímpar MoS2 também foi observada pela primeira vez.

p "O que é realmente interessante é que agora descobrimos que um material como o MoS2, que não é piezoelétrico em massa, pode se tornar piezoelétrico quando é reduzido a uma única camada atômica, "diz Lei Wang.

p Para ser piezoelétrico, um material deve quebrar a simetria central. Uma única camada atômica de MoS2 tem essa estrutura, e deve ser piezoelétrico. Contudo, a granel MoS2, camadas sucessivas são orientadas em direções opostas, e geram tensões positivas e negativas que se cancelam e dão efeito piezoelétrico líquido zero.

p "Isso adiciona outro membro à família de materiais piezoelétricos para dispositivos funcionais, "diz Wenzhuo Wu.

p Na verdade, MoS2 é apenas um de um grupo de materiais semicondutores 2D conhecidos como dichalcogenetos de metais de transição, todos os quais se prevê que tenham propriedades piezoelétricas semelhantes. Eles fazem parte de uma família ainda maior de materiais 2D, cujos materiais piezoelétricos permanecem inexplorados. Mais importante, como foi mostrado por Hone e seus colegas, Os materiais 2D podem ser esticados muito mais longe do que os materiais convencionais, particularmente os tradicionais piezoelétricos de cerâmica, que são bastante frágeis.

p A pesquisa pode abrir a porta para o desenvolvimento de novas aplicações para o material e suas propriedades únicas.

p "Este é o primeiro trabalho experimental nesta área e é um exemplo elegante de como o mundo se torna diferente quando o tamanho do material encolhe à escala de um único átomo, "Hone acrescenta." Com o que estamos aprendendo, estamos ansiosos para construir dispositivos úteis para todos os tipos de aplicativos. "

p Em última análise, Zhong Lin Wang observa, a pesquisa pode levar a nanosistemas completos de espessura atômica que são autoalimentados pela coleta de energia mecânica do ambiente. Este estudo também revela o efeito piezotrônico em materiais bidimensionais pela primeira vez, que expande muito a aplicação de materiais em camadas para a interface homem-máquina, robótica, MEMS, e eletrônica flexível ativa.