Un team di ricercatori dell'Università della Pennsylvania sta acquisendo nuove informazioni sui materiali intelligenti utilizzati nella tecnologia degli ultrasuoni. Pur formando il modello più completo fino ad oggi di come funzionano questi materiali, hanno trovato sorprendenti somiglianze con il comportamento dell'acqua.

La ricerca, pubblicato in Natura , è stato guidato da Andrew M. Rappe, il Professore Blanchard di Chimica presso la School of Arts &Sciences e un professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la School of Engineering and Applied Science, e postdoc Hiroyuki Takenaka nel Dipartimento di Chimica. Anche lo specialista della ricerca Penn Ilya Grinberg e l'alunno Shi Liu hanno contribuito allo studio.

I ricercatori di questo gruppo sono interessati a come i materiali interagiscono con, sfruttare e convertire l'energia in forme diverse. In questo studio, stavano studiando un comportamento di materiale intelligente chiamato piezoelettricità, che è lo scambio di energia meccanica con energia elettrica.

Nella piezoelettricità, l'applicazione di un campo elettrico a un materiale riorienta i dipoli al suo interno; questa è la chiave della funzionalità del materiale.

"Puoi immaginare che ci sia una gabbia di atomi di ossigeno, "Rappo ha detto, "e c'è uno ione positivo nel mezzo. Se si trova nel mezzo della gabbia, allora non c'è dipolo, ma se si sposta fuori centro allora c'è un dipolo. Il riarrangiamento di quei dipoli è ciò che porta a queste proprietà materiali intelligenti".

Quando gli ioni positivi si spostano dal centro, le gabbie di ioni che li circondano si restringono o si allungano in modo concertato, facendo cambiare forma al materiale.

Nei dispositivi ad ultrasuoni, fornendo tensione fa cambiare forma al materiale, o vibrare, e quelle vibrazioni entrano nel corpo umano ed echeggiano intorno. I materiali piezoelettrici sono utilizzati anche nel sonar per consentire agli strumenti di vedere sott'acqua.

Recentemente, è stato scoperto un insieme di materiali che gli scienziati ritengono offra prestazioni piezoelettriche più elevate rispetto ai precedenti. Ma a un livello fondamentale, Rappe ha detto, la gente non capiva perché questi materiali funzionassero bene come loro.

"Se non sai perché funziona, come potresti decodificarlo e passare al livello successivo?" ha detto.

I ricercatori usano spesso la teoria e la modellazione per studiare i materiali intelligenti. Hanno un'idea di come pensano che funzioni un sistema e possono descrivere cosa sta facendo un materiale reale risolvendo alcune equazioni.

"Una cosa che facciamo spesso è risolvere le equazioni della meccanica quantistica perché è noto che la meccanica quantistica è un modello accurato di come si comportano gli elettroni, " Rappe ha detto. "Gli elettroni sono la colla che tiene insieme i nuclei. Se sai come si comportano, allora sai cosa determina quando i legami si rompono e si formano e così via."

Ma uno sviluppo entusiasmante, Egli ha detto, è la capacità di andare oltre ciò che i ricercatori possono permettersi meccanicamente quantistica e costruire modelli meccanici per dare loro un modo più approssimativo di affrontare i legami in un solido consentendo loro anche di modellare la temperatura finita, grandi quantità di materiale e per periodi di tempo più lunghi.

"Questo ci consente di osservare comportamenti che richiedono molto tempo per verificarsi o si verificano solo in profondità all'interno di un materiale, e questo ci offre prospettive uniche su comportamenti complicati, " ha detto Rappo.

Mentre altri esperimenti hanno sondato questo materiale e alcuni modelli teorici ne hanno rivelato alcuni aspetti, i ricercatori della Penn hanno ora fornito il modello più completo fino ad oggi di come funziona questo materiale.

In precedenza, gli scienziati pensavano che a temperature più elevate è "ogni dipolo per se stesso, " rendendo più facile per loro rispondere a stimoli esterni come i campi elettrici.

Quando il materiale si raffredda, i dipoli si raggruppano in gruppi chiamati nanoregioni polari. Man mano che queste regioni diventano più grandi, diventano pigri e diventa sempre più difficile per loro rispondere.

In questo nuovo documento, i ricercatori hanno dimostrato che, mentre a temperature più elevate i dipoli galleggiano infatti liberi man mano che la temperatura si raffredda e i dipoli si ritrovano e formano queste nanoregioni polari, le regioni in realtà non si ingrandiscono, ma si allineano semplicemente in modo più completo.

Questo porta alla nascita di pareti di dominio all'interno del materiale che separa patch di diverso allineamento. Sono queste pareti di dominio tra regioni dipolari che portano a proprietà piezoelettriche migliorate nel materiale.

Questo fa eco a un comportamento simile in acqua, in cui più bassa è la temperatura più correlati diventano i dipoli, ma la correlazione non regge a distanze maggiori.

"Non sono mai perfettamente allineati, " Disse Rappe. "I dipoli d'acqua vicini possono diventare sempre più allineati, ma a causa del legame idrogeno c'è una dimensione intrinseca oltre la quale non cresce".

I materiali piezoelettrici sono un elemento importante nei trasduttori, attuatori e sensori utilizzati in molti settori. La mancanza di comprensione di come funzionano ha rallentato il miglioramento dei materiali di qualità superiore. Questo documento fornisce una nuova comprensione di come funzionano e rivela somiglianze con il comportamento dell'acqua.

Una comprensione più completa del perché questi materiali si comportano in quel modo può sbloccare nuovi design di materiali, portando a piezoelettrici di qualità superiore che potrebbero rivoluzionare le applicazioni dei materiali intelligenti.

"È emozionante essere in grado di costruire un modello da singoli elettroni fino a milioni di atomi a temperatura finita e osservare proprietà complesse, "Rappo ha detto, "ed è entusiasmante che l'osservazione di quelle proprietà complesse ci dia nuove direzioni produttive in cui possiamo migliorare i materiali che convertiranno in modo più efficiente l'energia per dispositivi utili per aiutare le persone".