p O desenvolvimento de uma base teórica para a piezoeletricidade ultra-alta em materiais ferroelétricos levou a um novo material com duas vezes a resposta piezoelétrica de qualquer cerâmica ferroelétrica comercial existente, de acordo com uma equipe internacional de pesquisadores da Penn State, China e Austrália. p A piezoeletricidade é a propriedade do material no cerne do ultrassom médico, sonar, controle de vibração ativo e muitos sensores e atuadores. Um material piezoelétrico tem a capacidade de se deformar mecanicamente quando uma tensão elétrica é aplicada ou de gerar carga elétrica quando uma força mecânica é aplicada.

p Adicionar pequenas quantidades de um material de terra rara cuidadosamente selecionado, samário, a uma cerâmica piezoelétrica de alto desempenho chamada titanato de chumbo e niobato de magnésio (PMN-PT) aumenta dramaticamente seu desempenho piezo, os pesquisadores relatam em Materiais da Natureza esta semana. Esta estratégia de materiais por design também será útil no design de materiais para outras aplicações, a equipe acredita.

p “Esta não é a forma típica de desenvolver novos materiais, "disse o autor co-correspondente da equipe, Long-Qing Chen, Donald W. Hamer Professor de Ciência e Engenharia de Materiais, professor de matemática, e professor de ciência da engenharia e mecânica, Estado de Penn. "A maioria dos materiais úteis existentes são descobertos por experimentos de tentativa e erro. Mas aqui nós projetamos e sintetizamos uma nova cerâmica piezoelétrica guiada por teoria e simulações."

p A equipe primeiro analisou o impacto da adição de vários dopantes químicos na estrutura local de uma cerâmica ferroelétrica existente. Eles foram então capazes de reduzir o pool de dopantes efetivos comparando as perdas dielétricas medidas com as assinaturas obtidas em simulações de campo de fase. Após a seleção de dopantes, eles então se concentraram na otimização do processo e da composição para alcançar a piezoeletricidade ultra-alta.

p “Este trabalho é baseado na compreensão da origem da piezoeletricidade ultra-alta nos cristais ferroelétricos que foram desenvolvidos há 30 anos. Nosso novo entendimento sugeriu que a heterogeneidade da estrutura local desempenha um papel importante na piezoeletricidade em ferroelétricos, que também pode ser estendido a outras funcionalidades, "disse o co-autor Shujun Zhang, professor de ciência dos materiais anteriormente na Penn State e agora na University of Wollongong, na Austrália.

p Heterogeneidade de estrutura local refere-se a distorções estruturais de tamanho em nanoescala dentro de um material hospedeiro criado por dopagem de uma pequena quantidade de espécies químicas, neste caso, dopagem de samário em cerâmicas PMN-PT, como forma de modificar a paisagem de energia termodinâmica do material, o que, por sua vez, aumenta as propriedades dielétricas - a capacidade de um material de responder a um campo eletrostático - e o efeito piezoelétrico.

p "Este material é uma boa escolha para uso em transdutores, como aqueles usados ​​em ultrassom médico, "disse o autor principal Fei Li, um associado de pesquisa na Penn State. "Já temos dispositivos feitos com nosso material por um grupo da Universidade do Sul da Califórnia."

p Esse dispositivo, chamado transdutor de agulha, usa um elemento piezoelétrico submilimétrico do material da Penn State, encaixado em uma agulha ou cateter padrão, a fim de realizar procedimentos minimamente invasivos, para obter imagens dentro do corpo ou para orientar cirurgias de precisão dentro do corpo. O dispositivo tem melhor desempenho do que dispositivos existentes com as mesmas dimensões, Li disse.

p Penn State entrou com uma patente provisória sobre o material.