Uma equipe de pesquisadores observou e relatou pela primeira vez a microestrutura única de um novo material ferroelétrico, permitindo o desenvolvimento de materiais piezoelétricos sem chumbo para eletrônicos, sensores e armazenamento de energia que são mais seguros para uso humano. Este trabalho foi liderado pelo Alem Group da Penn State e em colaboração com equipes de pesquisa da Rutgers University e da University of California, Merced.
Ferroelétricos são uma classe de materiais que demonstram uma polarização elétrica espontânea quando uma carga elétrica externa é aplicada. Isso causa uma polarização elétrica espontânea quando cargas positivas e negativas nos materiais se dirigem para pólos diferentes. Esses materiais também possuem propriedades piezoelétricas, o que significa que o material gera uma carga elétrica sob uma força mecânica aplicada.

Isso permite que esses materiais produzam eletricidade a partir de energia como calor, movimento ou até mesmo ruído que poderia ser desperdiçado. Portanto, eles têm potencial para alternativas à energia baseada em carbono, como a coleta de energia do calor residual. Além disso, os materiais ferroelétricos são especialmente úteis para armazenamento de dados e memória, pois podem permanecer em um estado polarizado sem energia adicional, tornando-os atraentes para armazenamento de dados e eletrônicos com economia de energia. Eles também são amplamente utilizados em aplicações benéficas, como interruptores, dispositivos médicos importantes, como monitores de frequência cardíaca e ultrassom, armazenamento de energia e atuadores.

No entanto, os materiais piezoelétricos mais fortes contêm chumbo, que é um problema importante, pois o chumbo é tóxico para humanos e animais.

"Adoraríamos projetar um material piezoelétrico que não tivesse as desvantagens dos materiais atuais", disse Nasim Alem, professor associado de ciência e engenharia de materiais da Penn State e autor correspondente do estudo. "E agora, o chumbo em todos esses materiais é uma grande desvantagem porque o chumbo é perigoso. Esperamos que nosso estudo possa resultar em um candidato adequado para um sistema piezoelétrico melhor."

Para desenvolver um caminho para um material sem chumbo com fortes propriedades piezoelétricas, a equipe de pesquisa trabalhou com manganato de cálcio, Ca₃ Mn₂ O₇ (CMO). CMO é um novo material ferroelétrico impróprio híbrido com algumas propriedades interessantes.

"O princípio de design deste material é combinar o movimento do pequeno octaedro de oxigênio do material", disse Leixin Miao, doutorando em ciência dos materiais e primeiro autor do estudo na Nature Communications . "No material, há octaedros de átomos de oxigênio que podem inclinar e girar. O termo 'híbrido ferroelétrico impróprio' significa que combinamos a rotação e a inclinação do octaedro para produzir ferroeletricidade. combinação de dois movimentos do octaedro gerando essa polarização para a ferroeletricidade. É considerado um ferroelétrico 'impróprio' já que a polarização é gerada como um efeito secundário."

Há também uma característica única da microestrutura da CMO que é um mistério para os pesquisadores.

"À temperatura ambiente, existem algumas fases polares e apolares coexistindo à temperatura ambiente no cristal", disse Miao. "E acredita-se que essas fases coexistentes estejam correlacionadas com o comportamento negativo da expansão térmica. É sabido que normalmente um material se expande quando aquecido, mas este encolhe. Isso é interessante, mas sabemos muito pouco sobre a estrutura, como as fases polares e apolares coexistem."

Para entender melhor isso, os pesquisadores usaram microscopia eletrônica de transmissão em escala atômica.

"O motivo pelo qual usamos a microscopia eletrônica é porque, com a microscopia eletrônica, podemos usar sondas em escala atômica para ver o arranjo atômico exato na estrutura", disse Miao. "E foi muito surpreendente observar as nanoregiões polares de dupla camada nos cristais de CMO. Até onde sabemos, é a primeira vez que essa microestrutura foi fotografada diretamente nos materiais de perovskita em camadas."

Antes, nunca havia sido observado o que acontece com um material que passa por essa transição de fase ferroelétrica, segundo os pesquisadores. Mas com a microscopia eletrônica, eles puderam monitorar o material e o que estava acontecendo durante a transição de fase.

"Monitoramos o material, o que está acontecendo durante a transição de fase, e fomos capazes de sondar átomo por átomo em que tipo de ligação temos, que tipo de distorções estruturais temos no material e como isso pode mudar em função de temperatura", disse Alem. "E isso explica muito algumas das observações que as pessoas tiveram com este material. Por exemplo, quando eles obtêm o coeficiente de expansão térmica, ninguém sabe realmente de onde isso vem. Basicamente, isso estava descendo para o nível atômico e entender a física e química em escala atômica subjacente e também a dinâmica da transição de fase, como ela está mudando."

Isso, por sua vez, permitiria o desenvolvimento de materiais piezoelétricos poderosos e sem chumbo.

"Os cientistas têm tentado encontrar novos caminhos para descobrir materiais ferroelétricos sem chumbo para muitas aplicações benéficas", disse Miao. "A existência de nanoregiões polares é considerada como benéfica para as propriedades piezoelétricas, e agora mostramos que, por meio da engenharia de defeitos, podemos projetar novos cristais piezoelétricos fortes que substituiriam todos os materiais contendo chumbo para aplicações ultrassônicas ou de atuadores".

O trabalho de caracterização que revelou esses processos inéditos no material foi realizado nas instalações do Instituto de Pesquisa de Materiais no Complexo de Ciências do Milênio. Isso incluiu vários experimentos de microscópios eletrônicos de transmissão (TEM) que permitiram que o nunca antes visto fosse visto.

Outro benefício do estudo foi o software gratuito desenvolvido pela equipe de pesquisa, EASY-STEM, que facilita o processamento de dados de imagens TEM. Isso poderia encurtar o tempo necessário para avançar a pesquisa científica e movê-la para a aplicação prática.

"O software tem uma interface gráfica de usuário que permite aos usuários inserir cliques do mouse, de modo que as pessoas não precisam ser especialistas em codificação, mas ainda podem gerar análises incríveis", disse Miao. + Explorar mais

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