Uma equipe de pesquisadores da Universidade da Pensilvânia está obtendo novos insights sobre os materiais inteligentes usados ​​na tecnologia de ultrassom. Enquanto formamos o modelo mais completo até o momento de como esses materiais funcionam, eles encontraram semelhanças impressionantes com o comportamento da água.

A pesquisa, publicado em Natureza , foi liderado por Andrew M. Rappe, o Professor Blanchard de Química na Escola de Artes e Ciências e um professor de ciência dos materiais e engenharia na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas, e pós-doutorado Hiroyuki Takenaka no Departamento de Química. O especialista em pesquisa da Penn Ilya Grinberg e o ex-aluno Shi Liu também contribuíram para o estudo.

Os pesquisadores deste grupo estão interessados ​​em como os materiais interagem com, aproveitar e converter energia em diferentes formas. Neste estudo, eles estavam investigando um comportamento de material inteligente chamado piezoeletricidade, que é o intercâmbio de energia mecânica com energia elétrica.

Na piezoeletricidade, aplicar um campo elétrico a um material reorienta dipolos dentro dele; esta é a chave para a funcionalidade do material.

"Você pode imaginar que há uma gaiola de átomos de oxigênio, "Rappe disse, "e há um íon positivo no meio. Se ficar no meio da gaiola, não há dipolo, mas se ele se mover para fora do centro, haverá um dipolo. O rearranjo desses dipolos é o que leva a essas propriedades de materiais inteligentes. "

Conforme os íons positivos se movem para fora do centro, as gaiolas de íons que os cercam encolhem ou alongam de uma forma combinada, fazendo com que o material mude de forma.

Em dispositivos de ultrassom, fornecer tensão faz com que o material mude de forma, ou vibrar, e essas vibrações entram no corpo humano e ecoam ao redor. Materiais piezoelétricos também são usados ​​em sonar para permitir que os instrumentos vejam embaixo d'água.

Recentemente, foi descoberto um conjunto de materiais que os cientistas acreditam ter um desempenho piezoelétrico maior do que os anteriores. Mas em um nível fundamental, Rappe disse, as pessoas não entendiam por que esses materiais funcionam tão bem.

"Se você não sabe por que funciona, como você poderia fazer a engenharia reversa e chegar ao próximo nível? ", disse ele.

Os pesquisadores costumam usar teoria e modelagem para estudar materiais inteligentes. Eles têm uma ideia de como acham que um sistema funciona e podem retratar o que um material real está fazendo resolvendo algumas equações.

"Uma coisa que fazemos frequentemente é resolver as equações da mecânica quântica porque a mecânica quântica é conhecida por ser um modelo preciso de como os elétrons se comportam, "Rappe disse." Os elétrons são a cola que mantém os núcleos juntos. Se você sabe como eles estão se comportando, então você sabe o que determina quando os laços se rompem e se formam e assim por diante. "

Mas um desenvolvimento empolgante, ele disse, é a capacidade de ir além do que os pesquisadores podem pagar pela mecânica quântica e construir modelos mecânicos para dar-lhes uma maneira mais aproximada de lidar com as ligações em um sólido, ao mesmo tempo que lhes permite modelar a temperatura finita, maiores quantidades de material e por longos períodos de tempo.

“Isso nos permite observar comportamentos que demoram muito para acontecer ou só acontecem no fundo de um material, e isso nos dá perspectivas únicas sobre comportamentos complicados, "Rappe disse.

Enquanto outros experimentos investigaram este material e alguns modelos teóricos revelaram certos aspectos dele, os pesquisadores da Penn forneceram agora o modelo mais abrangente de como esse material funciona.

Anteriormente, os cientistas pensaram que em temperaturas mais altas é "cada dipolo por si mesmo, "tornando mais fácil para eles responderem a estímulos externos, como campos elétricos.

Conforme o material esfria, os dipolos se agrupam em grupos chamados nanorregiões polares. À medida que essas regiões crescem, eles se tornam lentos e torna-se cada vez mais difícil para eles responder.

Neste novo artigo, os pesquisadores mostraram que, enquanto em temperaturas mais altas os dipolos estão de fato flutuando livremente conforme a temperatura esfria e os dipolos se encontram e formam essas nanorregiões polares, as regiões não crescem, na verdade, mas apenas ficam mais alinhadas.

Isso leva ao nascimento de paredes de domínio dentro do material que separa manchas de alinhamento diferente. São essas paredes de domínio entre as regiões dipolares que levam a propriedades piezoelétricas aprimoradas no material.

Isso ecoa um comportamento semelhante na água, em que quanto mais baixa a temperatura, mais correlacionados os dipolos se tornam, mas a correlação não se mantém em distâncias maiores.

"Eles nunca estão perfeitamente alinhados, "Rappe disse." Os dipolos de água próximos podem ficar cada vez mais alinhados, mas, por causa da ligação de hidrogênio, há algum tamanho intrínseco além do qual ele não cresce. "

Materiais piezoelétricos são um elemento importante em transdutores, atuadores e sensores usados ​​em muitas indústrias. A falta de compreensão sobre como eles funcionam retardou a melhoria de materiais de alta qualidade. Este artigo fornece uma nova compreensão de como eles funcionam e revela semelhanças com o comportamento da água.

Uma compreensão mais completa de por que esses materiais se comportam da maneira que o fazem pode desbloquear o design de novos materiais, levando a piezoelétricos de alta qualidade que podem revolucionar as aplicações de materiais inteligentes.

"É empolgante ser capaz de construir um modelo de elétrons individuais a milhões de átomos em temperatura finita e observar propriedades complexas, "Rappe disse, "e é empolgante que a observação dessas propriedades complexas nos dê novas direções produtivas onde podemos aprimorar materiais que irão converter mais eficientemente energia em dispositivos úteis para ajudar as pessoas."