Piezoelétricos são materiais que mudam de forma quando um campo elétrico é aplicado, com uma ampla gama de aplicações, incluindo tinta de impressão em papel e movimentação precisa da ponta de um microscópio de tunelamento de varredura. Atualmente, os piezoelétricos mais eficazes são aqueles em forma de cristal único, porque eles têm um grande valor de eletroestressão (> 1 por cento), que é uma marca de quanto o material pode mudar de forma quando o campo elétrico é aplicado. Contudo, eles são muito caros e difíceis de fabricar. Piezoelétricas cerâmicas, feito de vários cristais minúsculos, são pelo menos cem vezes mais baratos e fáceis de produzir em massa, mas geralmente têm valores de eletrodepressão muito baixos.

Pela primeira vez, pesquisadores do Instituto Indiano de Ciência (IISc) desenvolveram um material cerâmico capaz de atingir um valor de eletroestressão de 1,3 por cento - o mais alto para uma cerâmica até hoje e o mais próximo do recorde estabelecido por cristais únicos.

“O processo de fabricação de cerâmica é semelhante ao de fabricação de tijolos, "diz Rajeev Ranjan, Professor adjunto, Departamento de Engenharia de Materiais, IISc, quem conduziu o estudo. "Isso pode permitir à indústria de atuadores e transdutores a opção de escolher materiais muito mais baratos do que os monocristais para aplicações de ponta."

O estudo foi publicado em Materiais da Natureza .

Materiais naturais, como quartzo, quando cortados como cristais únicos, pode comprimir ou expandir automaticamente quando a tensão é aplicada. Contudo, sua fabricação é cara e complicada. Desde a década de 1950, o foco mudou para óxidos de metais mistos cerâmicos baseados em ferroelétricos mais baratos. Essas cerâmicas não apresentam piezoeletricidade em sua forma preparada, mas pode ser feito aplicando uma forte tensão.

Quando um campo elétrico é aplicado a um material piezoelétrico - cristal ou cerâmica - ele desenvolve uma tensão, uma qualidade que é medida por quanto seu comprimento muda em proporção a sua dimensão original. Quanto maior a tensão que pode ser induzida no material, o melhor, especialmente para aplicações como geração de ultrassom em equipamentos de imagens médicas. O valor mais alto desta eletroestressão alcançado até agora é de 1,7 por cento em cristais únicos de um tipo especial de materiais à base de chumbo chamados ferroelétricos relaxantes. Até aqui, os pesquisadores não conseguiram projetar cerâmicas com valores de eletrodepressão semelhantes ou próximos.

Um material cerâmico é geralmente uma massa variada de minúsculos, cristais de óxido de metal orientados aleatoriamente chamados grãos. Quando a tensão é aplicada, regiões locais chamadas de domínios dentro de cada grão tentam se orientar na direção do campo aplicado, levando o grão a mudar sua forma. A extensão em que um grão muda de forma depende de uma propriedade inerente chamada "tensão de rede espontânea". Quanto maior for essa tensão espontânea, mais o grão pode se deformar sob um campo elétrico. A eletroestressão vista em um material piezoelétrico cerâmico representa a soma total dos alongamentos de todos os vários milhares de grãos.

Contudo, a maioria das cerâmicas piezoelétricas tem uma desvantagem:quando a tensão é desligada, os domínios permanecem presos em sua nova configuração, preso por defeitos no material, e são incapazes de retornar ao seu estado original. Isso significa que quando a tensão é aplicada pela segunda ou terceira vez, a eletroestressão reduz drasticamente.

Portanto, um material piezocerâmico ideal não deve apenas ter uma grande deformação de rede espontânea, mas também um movimento reversível de domínios.

Para desenvolver tal material, Ranjan e sua equipe prepararam primeiro uma solução sólida dos compostos BiFeO ₃ e PbTiO ₃ que teve uma grande tensão de rede espontânea. Como os domínios neste material eram imóveis, eles o modificaram quimicamente, adicionando quantidades variáveis ​​do elemento lantânio para fazer os domínios se moverem. A uma certa concentração crítica de lantânio, os domínios foram capazes de voltar ao seu estado original quando a tensão foi desligada.

"Nosso material pode, portanto, ser comparado a uma borracha que pode ser alongada repetidamente cada vez que esticamos, "diz Ranjan.

Nesta concentração de lantânio, o material também mostrou um valor de eletroestressão de 1,3 por cento, quase o dobro do valor mais alto relatado para uma cerâmica até agora. O valor permaneceu o mesmo sempre que a tensão foi aplicada. Em um exame mais minucioso, o material mostrou propriedades em nanoescala semelhantes às ferroelétricas relaxantes de alto desempenho.

"Nossa demonstração de que a eletroestressão de magnitude tão grande pode ser realizada até mesmo em cerâmica provavelmente estimulará os cientistas a procurar mais novos materiais, "diz Ranjan.