I piezoelettrici sono materiali che cambiano forma quando viene applicato un campo elettrico, con un'ampia gamma di applicazioni, tra cui la stampa di inchiostro su carta e il movimento preciso della punta di un microscopio a scansione a effetto tunnel. Attualmente, i piezoelettrici più efficaci sono quelli in forma di cristallo singolo, perché hanno un grande valore di elettrodeformazione (> 1 per cento), che è un segno di quanto il materiale può cambiare forma quando viene applicato il campo elettrico. Però, sono molto costosi e difficili da fabbricare. piezoelettrici in ceramica, costituito da più minuscoli cristalli, sono almeno cento volte più economici e facili da produrre in serie, ma di solito hanno valori di electrostrain molto bassi.

Per la prima volta, i ricercatori dell'Indian Institute of Science (IISc) hanno progettato un materiale ceramico in grado di raggiungere un valore di elettrodeformazione dell'1,3%, il più alto per una ceramica fino ad oggi e il più vicino al record stabilito dai cristalli singoli.

"Il processo di fabbricazione della ceramica è simile a quello di fabbricazione dei mattoni, "dice Rajeev Ranjan, Professore Associato, Dipartimento di Ingegneria dei Materiali, IISc, che ha condotto lo studio. "Ciò potrebbe consentire all'industria degli attuatori e dei trasduttori di scegliere materiali molto più economici dei singoli cristalli per applicazioni di fascia alta".

Lo studio è stato pubblicato su Materiali della natura .

Materiali naturali come quarzo, quando tagliati come cristalli singoli, può comprimersi o espandersi automaticamente quando viene applicata la tensione. Però, la loro fabbricazione è costosa e complicata. Dagli anni Cinquanta, l'attenzione si è spostata verso ossidi metallici misti ceramici a base ferroelettrica più economici. Queste ceramiche non mostrano piezoelettricità nella loro forma preparata, ma può essere fatto applicando una forte tensione.

Quando un campo elettrico viene applicato a un materiale piezoelettrico, cristallo o ceramica, sviluppa una deformazione, una qualità che si misura da quanto cambia la sua lunghezza in proporzione alla sua dimensione originaria. Maggiore è la deformazione che può essere indotta nel materiale, meglio è, soprattutto per applicazioni come la generazione di ultrasuoni nelle apparecchiature di imaging medico. Il valore più alto di questo elettrostrain raggiunto fino ad oggi è dell'1,7% in cristalli singoli di un tipo speciale di materiali a base di piombo chiamati relaxor ferroelettrici. Finora, i ricercatori non sono stati in grado di progettare ceramiche con valori di electrostrain simili o vicini.

Un materiale ceramico è generalmente una massa assortita di minuscoli, cristalli di ossido di metallo orientati casualmente chiamati grani. Quando viene applicata la tensione, regioni locali chiamate domini all'interno di ciascun grano cercano di orientarsi nella direzione del campo applicato, spingendo il grano a cambiare la sua forma. La misura in cui un grano cambia forma dipende da una proprietà intrinseca chiamata "deformazione reticolare spontanea". Più grande è questo ceppo spontaneo, più il grano può deformarsi sotto un campo elettrico. L'elettrostrain visto in un materiale piezoelettrico ceramico rappresenta la somma totale degli allungamenti di tutte le diverse migliaia di grani.

Però, la maggior parte delle ceramiche piezoelettriche ha un inconveniente:quando viene tolta la tensione, i domini rimangono bloccati nella loro nuova configurazione, appuntato da difetti nel materiale, e non sono in grado di tornare al loro stato originale. Ciò significa che quando viene applicata la tensione per una seconda o terza volta, l'elettrostrain si riduce drasticamente.

Perciò, un materiale piezoceramico ideale non dovrebbe avere solo una grande deformazione reticolare spontanea, ma anche un movimento reversibile di domini.

Per sviluppare un tale materiale, Ranjan e il suo team hanno prima preparato una soluzione solida dei composti BiFeO ₃ e PbTiO ₃ che aveva un grande ceppo reticolo spontaneo. Poiché i domini in questo materiale erano immobili, lo hanno modificato chimicamente aggiungendo quantità variabili dell'elemento lantanio per far muovere i domini. Ad una certa concentrazione critica di lantanio, i domini sono stati in grado di tornare al loro stato originale quando la tensione è stata disattivata.

"Il nostro materiale può quindi essere paragonato a una gomma che può essere allungata ripetutamente ogni volta che allunghiamo, "dice Ranjan.

A questa concentrazione di lantanio, il materiale ha anche mostrato un valore di electrostrain dell'1,3%, quasi il doppio del valore più alto riportato finora per una ceramica. Il valore è rimasto lo stesso ogni volta che è stata applicata la tensione. A un esame più attento, il materiale ha mostrato proprietà su scala nanometrica simili ai ferroelettrici relaxor ad alte prestazioni.

"La nostra dimostrazione che l'elettrostrain di così grande magnitudo può essere realizzato anche nella ceramica stimolerà probabilmente gli scienziati a cercare più nuovi materiali, "dice Ranjan.