O uso de um campo elétrico AC em vez de DC pode melhorar a resposta piezoelétrica de um cristal. Agora, uma equipe internacional de pesquisadores afirma que os ciclos dos campos AC também tornam os domínios cristalinos internos em alguns materiais maiores e o cristal transparente.

"Houve relatos de que o uso de campos AC poderia melhorar significativamente as respostas piezoelétricas - por exemplo, de 20% a 40% - sobre os campos DC e as melhorias sempre foram atribuídas aos menores tamanhos de domínio ferroelétrico interno que resultaram dos ciclos de Campos AC, "disse Long-Qing Chen, Professor Hamer de Ciência e Engenharia de Materiais, professor de ciências da engenharia e mecânica, e professor de matemática na Penn State. "Cerca de três anos atrás, Dr. Fei Li, em seguida, um associado de pesquisa no Instituto de Pesquisa de Materiais em Penn State, amplamente confirmou a melhoria do desempenho piezoelétrico da aplicação de campos AC. Contudo, não estava claro como os domínios ferroelétricos internos evoluíram durante os ciclos AC.

"Nosso grupo faz principalmente modelagem por computador, e mais de um ano atrás, começamos a investigar o que acontece com as estruturas de domínio interno se aplicarmos campos AC a um cristal piezoelétrico ferroelétrico. Estamos muito curiosos sobre como as estruturas de domínio evoluem durante os ciclos AC. Nossas simulações de computador e cálculos teóricos mostraram uma resposta piezoelétrica melhorada, mas nossas simulações também demonstraram que os tamanhos dos domínios ferroelétricos realmente ficaram maiores durante os ciclos AC, em vez de menores, conforme relatado na literatura. "

Materiais piezoelétricos geram cargas elétricas quando uma força mecânica é aplicada e deformam ou mudam de forma quando um campo elétrico é aplicado. Os pesquisadores investigaram chumbo niobato de magnésio-titanato de chumbo - PMN-PT - um material piezoelétrico disponível comercialmente. Os resultados computacionais foram inesperados porque a maioria das pessoas na comunidade piezoelétrica acredita que quanto menores são os domínios, quanto maior a resposta piezoelétrica.

Os domínios dentro de um cristal são áreas nas quais os dipolos elétricos ou a polarização elétrica se organizam na mesma direção. Antes do alinhamento de dipolos ou polarização de um cristal PMN-PT usando um campo elétrico, existem muitos domínios minúsculos com polarização em diferentes direções. À medida que ciclos de campos elétricos AC são aplicados ao cristal, os domínios se realinham, tornando-se cada vez menor e maior. Depois de vários ciclos AC, os domínios são grandes e em camadas.

"Os resultados da simulação contradizem os relatórios da literatura, "disse Chen." Precisamos cavar mais fundo para ver se a realidade está de acordo com nossos resultados de simulação. "

Pesquisadores da Universidade Xi'an Jiaotong na China, então, cultivaram seus próprios cristais PMN-PT e examinaram cuidadosamente as configurações de domínio em suas amostras usando várias técnicas de caracterização experimental sob diferentes condições de ciclagem AC. Eles confirmaram as previsões computacionais da Penn State de que os domínios realmente se tornam maiores durante os ciclos AC.

O tamanho de domínio maior e as estruturas de domínio de camada particular também sugerem que um raio de luz mostrado no cristal seria desimpedido e brilharia direto - o cristal seria transparente. Os cristais não só possuem piezoeletricidade ultra-alta, mas também são altamente transparentes depois que suas superfícies são cuidadosamente polidas. No passado, cristais como esse sempre foram opacos.

Os pesquisadores relatam hoje (15 de janeiro) em Natureza que "o trabalho apresenta um paradigma para alcançar uma combinação sem precedentes de propriedades e funcionalidades através da engenharia de domínio ferroelétrico, e os novos cristais ferroelétricos transparentes relatados aqui devem abrir uma ampla gama de aplicações de dispositivos híbridos, como imagens médicas, telas sensíveis ao toque com auto-captação de energia e dispositivos robóticos invisíveis. "