p O nitreto de gálio (GaN) e o óxido de zinco (ZnO) estão entre os materiais semicondutores mais relevantes tecnologicamente. O nitreto de gálio é onipresente hoje em dia em elementos optoeletrônicos como lasers azuis (daí o disco de raios azuis) e diodos emissores de luz (LEDs); o óxido de zinco também encontra muitos usos em optoeletrônica e sensores. p Nos últimos anos, no entanto, nanoestruturas feitas desses materiais têm mostrado uma infinidade de funcionalidades potenciais, variando de lasers e LEDs de nanofio único a dispositivos mais complexos, como ressonadores e, mais recentemente, nanogeradores que convertem a energia mecânica do ambiente (movimentos do corpo, por exemplo) para alimentar dispositivos eletrônicos. A última aplicação baseia-se no fato de que GaN e ZnO também são materiais piezoelétricos, o que significa que eles produzem cargas elétricas à medida que são deformados.

p Em um artigo publicado online na revista Nano Letras , Horacio Espinosa, o professor James N. e Nancy J. Farley em Manufatura e Empreendedorismo na Escola McCormick de Engenharia e Ciências Aplicadas da Northwestern University, e Ravi Agrawal, um estudante de graduação no laboratório de Espinosa, relataram que a piezoeletricidade em nanofios de GaN e ZnO é, de fato, aumentada em até duas ordens de magnitude à medida que o diâmetro dos nanofios diminui.

p "Esta descoberta é muito empolgante porque sugere que a construção de nanogeradores, sensores e outros dispositivos de nanofios menores irão melhorar muito sua saída e sensibilidade, "Disse Espinosa.

p "Usamos um método computacional chamado Teoria do Funcional da Densidade (DFT) para modelar nanofios de GaN e ZnO com diâmetros variando de 0,6 nanômetros a 2,4 nanômetros, "Agrawal disse. O método computacional é capaz de prever a distribuição eletrônica dos nanofios à medida que eles são deformados e, Portanto, permite calcular seus coeficientes piezoelétricos.

p Os resultados dos pesquisadores mostram que o coeficiente piezoelétrico em nanofios de 2,4 nanômetros de diâmetro é cerca de 20 vezes maior e cerca de 100 vezes maior para nanofios de ZnO e GaN, respectivamente, quando comparado ao coeficiente dos materiais na macroescala. Isso confirma as descobertas computacionais anteriores em nanoestruturas de ZnO que mostraram um aumento semelhante nas propriedades piezoelétricas. Contudo, cálculos de piezoeletricidade de nanofios de GaN em função do tamanho foram realizados neste trabalho pela primeira vez, e os resultados são claramente mais promissores à medida que GaN mostra um aumento mais proeminente.

p "Nossos cálculos revelam que o aumento do coeficiente piezoelétrico é resultado da redistribuição de elétrons na superfície do nanofio, o que leva a um aumento na polarização dependente de deformação em relação aos materiais a granel, "Disse Espinosa.

p As descobertas de Espinosa e Agrawal podem ter implicações importantes para o campo da captação de energia, bem como para a ciência fundamental. Para captação de energia, onde elementos piezoelétricos são usados ​​para converter energia mecânica em elétrica a fim de alimentar dispositivos eletrônicos, esses resultados apontam para uma vantagem na redução do tamanho dos elementos piezoelétricos até a escala nanométrica. Dispositivos de coleta de energia construídos a partir de nanofios de pequeno diâmetro devem, em princípio, ser capazes de produzir mais energia elétrica com a mesma quantidade de energia mecânica do que seus equivalentes em massa.

p Em termos de ciência fundamental, esses resultados complementam as conclusões anteriores de que a matéria em nanoescala tem propriedades diferentes. Está claro agora que, ao ajustar o tamanho das nanoestruturas, sua mecânica, propriedades elétricas e térmicas também podem ser ajustadas.

p "Nosso foco continua sendo a compreensão dos princípios fundamentais que regem o comportamento das nanoestruturas em função de seu tamanho, "Dizem Espinosa e Agrawal." Uma das questões mais importantes que precisa ser abordada é obter a confirmação experimental desses resultados, e estabelecer até que tamanho os efeitos piezoelétricos gigantes permanecem significativos. "

p Espinosa e Agrawal esperam que seu trabalho desperte um novo interesse nas propriedades eletromecânicas das nanoestruturas, tanto do ponto de vista teórico quanto experimental, a fim de limpar o caminho para o design e otimização de futuros dispositivos em nanoescala.