A capacidade dos materiais piezoelétricos de converter energia mecânica em energia elétrica e vice-versa os torna úteis para várias aplicações, desde robótica até comunicação com sensores. Uma nova estratégia de design para criar cerâmicas piezoelétricas de alto desempenho abre as portas para usos ainda mais benéficos para esses materiais, de acordo com uma equipe de pesquisadores da Penn State e da Michigan Technological University.
"Durante muito tempo, as cerâmicas policristalinas piezoelétricas mostraram uma resposta piezoelétrica limitada em comparação com os monocristais", disse Shashank Priya, vice-presidente associado de pesquisa e professor de ciência e engenharia de materiais da Penn State e coautor do estudo publicado na revista científica revista Ciências Avançadas . "Existem muitos mecanismos que limitam a magnitude da piezoeletricidade em materiais cerâmicos policristalinos. Neste artigo, demonstramos um novo mecanismo que nos permite aumentar a magnitude do coeficiente piezoelétrico várias vezes maior do que o normalmente esperado para uma cerâmica."

O coeficiente piezoelétrico, que descreve o nível de resposta piezoelétrica de um material, é medido em picocoulombs por Newton.

"Conseguimos cerca de 2.000 picocoulombs por Newton, o que é um avanço significativo, porque em cerâmicas policristalinas, essa magnitude sempre foi limitada a cerca de 1.000 picocoulombs por Newton", disse Priya. "2.000 foi considerado uma meta inalcançável na comunidade cerâmica, portanto, atingir esse número é muito dramático."

O caminho para a descoberta do novo mecanismo começou com uma pergunta:Quais fatores controlam a magnitude da constante piezoelétrica? A constante piezoelétrica é a carga gerada por uma unidade de força aplicada, picocoulomb por Newton, que por sua vez é dependente de efeitos que ocorrem em atômica a mesoescala.

"Nós nos perguntamos quais são alguns efeitos básicos, quase em escala atômica, dos parâmetros fundamentais que limitam ou controlam a resposta?" disse Priya. “Usando o modelo multiescala desenvolvido na Michigan Tech, que é uma combinação de diferentes técnicas de modelagem para preencher a escala de comprimento, realizamos uma investigação muito detalhada sobre dois fenômenos”.

Uma delas foi a heterogeneidade química, que descreve como os átomos de diferentes elementos em um material são distribuídos em nanoescala. Isso é importante porque as diferentes posições atômicas e os locais que ocupam são críticos para a resposta piezoelétrica. A segunda é a anisotropia, a influência da orientação cristalográfica. Isso é importante porque as propriedades piezoelétricas em um material são maiores ao longo de uma certa direção cristalográfica.

"Imagine que o material é como um cubo - um cubo tem eixos diferentes, uma diagonal de face e uma diagonal de corpo, e assim a resposta piezoelétrica muda em todas essas direções diferentes", Yu U. Wang, professor de ciência e engenharia de materiais, Michigan Technical Universidade, disse. "E assim, mostramos que, ao alinhar todos os grãos em um material cerâmico ao longo de certos eixos cristalográficos, podemos obter uma resposta piezoelétrica muito alta. Criamos uma quantidade muito alta de heterogeneidade local e uma orientação de grão muito alta no material cerâmico, e a combinação desses dois parâmetros básicos de controle levou a uma alta resposta piezoelétrica em cerâmica."

Os pesquisadores descobriram que se você adicionar uma pequena quantidade do elemento de terras raras európio à cerâmica, o európio ocupará o canto da rede cúbica. Isso cria a heterogeneidade química no material que é necessária para uma alta resposta piezoelétrica. Os pesquisadores conseguiram amplificar ainda mais a resposta ao obter 99% dos grãos de cristal orientados.

A combinação desses dois efeitos não foi explorada antes, de acordo com Yongke Yan, professor associado de pesquisa em ciência e engenharia de materiais e principal autor deste estudo.

"Acho que esse mecanismo que conseguimos identificar não apenas leva a melhorias, mas também a melhorias dramáticas, e o aproxima do valor ideal, que é muito mais alto do que muitas pessoas esperariam", disse Yan.

Para coletar os dados necessários para provar seu conceito, Priya e sua equipe trabalharam com Dabin Lin, ex-estudante visitante do Instituto de Pesquisa de Materiais (MRI) da Penn State e atualmente professor de engenharia fotoelétrica na Universidade Tecnológica de Xi'an, na China, e Ke Wang, cientista da equipe de MRI no Laboratório de Caracterização de Materiais da MRI. Isso incluiu a coleta de dados do microscópio eletrônico de transmissão por meio da varredura dos materiais cerâmicos, que eles combinaram com técnicas de espectroscopia de raios-X de dispersão de energia (EDS). A EDS pode determinar quais elementos químicos estão presentes e permite aos pesquisadores "ver" no nível do átomo único que o európio está presente na cerâmica de uma forma que lhe confere a heterogeneidade necessária para uma alta resposta piezoelétrica.

Essas descobertas têm o potencial de levar a materiais piezoelétricos aprimorados e até novos, com uma variedade de novas aplicações de atuadores e transdutores. Isso pode significar melhor robótica, sensores, transformadores, motores ultrassônicos e tecnologias médicas. Além disso, uma vez que as cerâmicas piezoelétricas ultra-altas no estudo podem ser processadas usando processos tradicionais de fabricação multicamadas, os materiais seriam econômicos e escaláveis.

"As pessoas se beneficiam da eletrônica e estão presentes em muitas coisas, como robôs, microscópios, sistemas de transporte, qualquer dispositivo pessoal com tela, como um telefone, dispositivos médicos, como imagens corporais ou ferramentas de digitalização, e até coisas usadas em exploração espacial como robôs que podem operar fora de uma espaçonave", disse Priya. "Todas essas coisas podem ser melhoradas com cerâmicas piezoelétricas ultra-altas." + Explorar mais

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