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  • Controlando a rigidez de um material em nanoescala
    p Os átomos em um material feito pelo homem, óxido de ferro de bismuto (BiFeO3, ou BFO), composto de bismuto (bolas azuis), ferro (bolas vermelhas) e oxigênio (bolas verdes) podem ser deslocados para frente e para trás entre um romboédrico em forma de cubo (R) e um prisma retangular ou arranjo tetragonal (T) pela aplicação de uma voltagem elétrica local. Os pesquisadores usaram um microscópio de força atômica para induzir e detectar essa mudança estrutural em volumes microscópicos medindo uma mudança na rigidez do material. Isso é, o material torna-se mais macio quando é esticado da estrutura romboédrica à tetragonal. O controle da rigidez dos materiais é importante para sua função em dispositivos como microfones, atuadores, comuta, e sensores. Crédito:Departamento de Energia dos EUA

    p Usando uma agulha muito mais fina do que um fio de cabelo humano, cientistas revelaram como controlar a rigidez mecânica em um material promissor. A equipe aplicou um campo elétrico com uma agulha de tamanho nano para causar uma mudança reversível na disposição dos átomos no material. Essa mudança é uma transição de fase. A equipe reconfigurou o microscópio de força atômica que eles usaram para medir a mudança resultante nas propriedades mecânicas do material - com até 30 por cento de mudança. p A capacidade de controlar e medir as propriedades mecânicas pode levar a materiais promissores para acústica avançada (por exemplo, microfones) e dispositivos de micro-ondas. Também, os cientistas poderiam usar essa nova técnica para revelar novas regras físicas para as transições na estrutura atômica de um material. Os cientistas podem aplicar essas regras para identificar novos materiais para atuadores, comuta, sensores de campo magnético, e memória do computador.

    p Quando um material passa por uma mudança de fase, sua estrutura atômica é reorientada, e muitas propriedades fundamentais do material podem ser alteradas, incluindo rigidez mecânica. Isso significa que o material pode ficar mais duro ou mais macio, que é uma consideração importante para aplicações que utilizam vibrações de materiais, como sensores ou outros materiais eletrônicos. Tradicionalmente, os cientistas estudaram mudanças de fase e propriedades mecânicas com espalhamento de nêutrons e testes mecânicos; Infelizmente, essas técnicas não podem medir as respostas desses materiais em nanoescala. Em última análise, a microestrutura em nanoescala e a funcionalidade resultante precisam ser compreendidas para explicar e melhorar o desempenho do dispositivo.

    p Pesquisadores liderados pelo Laboratório Nacional de Oak Ridge usaram uma técnica de microscopia de força atômica (AFM) para revelar mudanças induzidas por voltagem na rigidez do material em um dos materiais multifuncionais mais amplamente estudados - óxido de ferro de bismuto (BiFeO3). O uso de uma técnica de AFM multifrequencial permite a aplicação de uma tensão em escalas de comprimento nanométrico e encontrou uma transição de fase como origem para a mudança na rigidez do material. Sob uma tensão aplicada, foi encontrada capacidade de ajuste de rigidez gigante. Isso é, a rigidez do material mudou reversivelmente em 30 por cento, uma mudança bastante dramática para esses materiais. O acoplamento com a modelagem permitiu uma compreensão mais detalhada do fenômeno observado quando o material se torna mais macio sob uma tensão aplicada. Esta descoberta e compreensão detalhada dos processos em escala nanométrica podem ter aplicações em dispositivos avançados de microfones de alto desempenho a novos tipos de memória eletrônica, bem como novas técnicas de imagem para sondar a física relacionada às transições de materiais.


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