Acender uma churrasqueira a gás, fazer um ultrassom, usar uma escova de dentes ultrassônica – essas ações envolvem o uso de materiais que podem traduzir uma voltagem elétrica em uma mudança de forma e vice-versa.



Conhecida como piezoeletricidade, a capacidade de alternar entre estresse mecânico e carga elétrica pode ser amplamente aproveitada em capacitores, atuadores, transdutores e sensores como acelerômetros e giroscópios para eletrônicos de próxima geração. No entanto, a integração desses materiais em sistemas miniaturizados tem sido difícil devido à tendência dos materiais eletromecanicamente ativos de - na escala submicrométrica, quando a espessura é de apenas alguns milionésimos de polegada - ficarem "fixados" pelo material ao qual estão fixados. , o que reduz significativamente seu desempenho.

Pesquisadores da Rice University e colaboradores da Universidade da Califórnia, Berkeley, descobriram que uma classe de materiais eletromecanicamente ativos chamados antiferroelétricos pode ser a chave para superar as limitações de desempenho devido à fixação em sistemas eletromecânicos miniaturizados.

Um novo estudo publicado na Nature Materials relata que um modelo de sistema antiferroelétrico, zirconato de chumbo (PbZrO₃ ), produz uma resposta eletromecânica que pode ser até cinco vezes maior que a dos materiais piezoelétricos convencionais, mesmo em filmes com apenas 100 nanômetros (ou 4 milionésimos de polegada) de espessura.

"Temos usado materiais piezoelétricos há décadas", disse Lane Martin, cientista de materiais da Rice, autor correspondente do estudo. "Recentemente, tem havido uma forte motivação para integrar ainda mais esses materiais em novos tipos de dispositivos que são muito pequenos - como você gostaria de fazer, digamos, com um microchip que fica dentro do seu telefone ou computador. O problema é que esses materiais são normalmente apenas menos utilizável nessas pequenas escalas."

De acordo com os padrões atuais da indústria, considera-se que um material tem um desempenho eletromecânico muito bom se puder sofrer uma alteração de 1% na forma – ou deformação – em resposta a um campo elétrico. Para um objeto que mede 100 polegadas de comprimento, por exemplo, aumentar ou diminuir 1 polegada representa 1% de tensão.

"Do ponto de vista da ciência dos materiais, esta é uma resposta significativa, uma vez que a maioria dos materiais duros só pode mudar em uma fração de um por cento", disse Martin, professor Robert A. Welch, professor de ciência de materiais e nanoengenharia e diretor do Rice Advanced Instituto de Materiais.

Quando os materiais piezoelétricos convencionais são reduzidos para sistemas com tamanho inferior a um micrômetro (1.000 nanômetros), seu desempenho geralmente se deteriora significativamente devido à interferência do substrato, o que amortece sua capacidade de mudar de forma em resposta ao campo elétrico ou, inversamente, a gerar tensão em resposta a uma mudança na forma.

De acordo com Martin, se o desempenho eletromecânico fosse classificado em uma escala de 1 a 10 - onde 1 é o desempenho mais baixo e 10 é o padrão da indústria de 1% de tensão - então normalmente espera-se que a fixação reduza a resposta eletromecânica dos piezoelétricos convencionais de 10 para o intervalo 1-4.

“Para entender como a fixação afeta o movimento, primeiro imagine estar no assento do meio de um avião sem ninguém ao seu lado – você estaria livre para ajustar sua posição se ficar desconfortável, superaquecido, etc.”, disse Martin. "Agora imagine o mesmo cenário, exceto que agora você está sentado entre dois grandes atacantes do time de futebol de Rice. Você ficaria 'preso' entre eles de tal forma que não conseguiria ajustar significativamente sua posição em resposta a um estímulo."

Os pesquisadores queriam entender como filmes muito finos de antiferroelétricos – uma classe de materiais que permaneceu pouco estudada até recentemente devido à falta de acesso a versões “modelo” dos materiais e à sua estrutura e propriedades complexas – mudaram sua forma em resposta à tensão. e se eles também eram suscetíveis ao pinçamento.

Primeiro, eles cultivaram filmes finos do material antiferroelétrico modelo PbZrO₃ com controle muito cuidadoso da espessura, qualidade e orientação do material. Em seguida, eles realizaram uma série de medições elétricas e eletromecânicas para quantificar as respostas dos filmes finos à tensão elétrica aplicada.

"Descobrimos que a resposta foi consideravelmente maior nas películas finas de material antiferroelétrico do que a obtida em geometrias semelhantes de materiais tradicionais", disse Hao Pan, pesquisador de pós-doutorado no grupo de pesquisa de Martin e autor principal do estudo.

Medir a mudança de forma em escalas tão pequenas não foi uma tarefa fácil. Na verdade, otimizar a configuração de medição exigiu tanto trabalho que os pesquisadores documentaram o processo em uma publicação separada.

“Com a configuração de medição aperfeiçoada, podemos obter uma resolução de dois picômetros – isso é cerca de um milésimo de nanômetro”, disse Pan. "Mas apenas mostrar que ocorreu uma mudança de forma não significa que entendemos o que está acontecendo, então tivemos que explicar. Este foi um dos primeiros estudos a revelar os mecanismos por trás desse alto desempenho."

Com o apoio de seus colaboradores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, os pesquisadores usaram um microscópio eletrônico de transmissão de última geração para observar a mudança de forma do material em nanoescala com resolução atômica em tempo real.

"Em outras palavras, observamos a atuação eletromecânica enquanto ela acontecia, para que pudéssemos ver o mecanismo para as grandes mudanças de forma", disse Martin. “O que descobrimos foi que há uma mudança induzida por voltagem elétrica na estrutura cristalina do material, que é como a unidade de construção fundamental ou tipo único de bloco de Lego a partir do qual o material é construído. esticado reversivelmente com tensão elétrica aplicada, dando-nos uma grande resposta eletromecânica."

Surpreendentemente, os pesquisadores descobriram que a fixação não apenas não interfere no desempenho do material, mas na verdade o melhora. Juntamente com colaboradores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e do Dartmouth College, eles recriaram o material computacionalmente para obter outra visão de como a fixação afeta a atuação sob tensão elétrica aplicada.

“Nossos resultados são o culminar de anos de trabalho em materiais relacionados, incluindo o desenvolvimento de novas técnicas para sondá-los”, disse Martin. "Ao descobrir como fazer com que esses materiais finos funcionem melhor, esperamos permitir o desenvolvimento de dispositivos eletromecânicos ou sistemas microeletromecânicos (MEMS) menores e mais poderosos - e até sistemas nanoeletromecânicos (NEMS) - que usam menos energia e podem fazer coisas que nunca pensamos serem possíveis antes."