Un primo piano del nuovo cristallo piezoelettrico sviluppato dagli scienziati della NTU, che può flettersi fino a 40 volte di più rispetto ai cristalli ferroelettrici convenzionali tipicamente utilizzati in piccoli attuatori e sensori.
Un team di ricercatori guidato dalla Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) ha sviluppato un nuovo materiale, che quando gli viene applicata l'elettricità, può flettersi e piegarsi quaranta volte più dei suoi concorrenti, aprendo la strada a micro macchine migliori.
Al contrario, quando è piegato, genera elettricità in modo molto efficace e potrebbe essere utilizzato per una migliore "raccolta di energia", ricaricando potenzialmente le batterie dei dispositivi solo dai movimenti quotidiani.
Il nuovo materiale è sia elettrostrittivo che piezoelettrico. Le sue proprietà elettrostrittive gli consentono di cambiare forma quando viene applicata una corrente elettrica, mentre piezoelettrico significa che il materiale può convertire la pressione in cariche elettriche.
Quando viene applicato un campo elettrico, gli atomi che compongono i materiali elettrostrittivi si spostano, provocando la deformazione e la flessione del materiale. Quando i piezoelettrici vengono compressi, la pressione viene convertita in cariche elettriche che si accumulano nel materiale.
Gli scienziati hanno scoperto che quando viene applicato un campo elettrico, il nuovo materiale ibrido potrebbe essere teso fino al 22%, il ceppo più alto riportato finora in un materiale piezoelettrico. Questo supera di gran lunga i materiali piezoelettrici convenzionali che si deformano solo fino allo 0,5% quando viene attraversata da una corrente. Il nuovo materiale è anche più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ad altri materiali piezoelettrici ed elettrostrittivi.
I materiali piezoelettrici sono comunemente usati nelle chitarre, Altoparlanti, sensori e motori elettrici. Ad esempio, un pick-up piezoelettrico è un dispositivo utilizzato in una chitarra elettrica per convertire le vibrazioni delle corde in un segnale elettrico, che viene poi elaborato per la registrazione di musica o per essere amplificato tramite altoparlanti.
I cristalli ferroelettrici furono scoperti per la prima volta nel 1920 e sono stati usati per produrre piezoelettrici per oltre 70 anni, in quanto facilmente integrabili nei dispositivi elettrici.
Però, sono fragili e inflessibili, piegando solo lo 0,5%, che limita ampiamente la loro applicazione in dispositivi elettronici come attuatori (parti che convertono un segnale di comando elettrico in movimento meccanico, Per esempio, una valvola che si apre e si chiude).
Alcuni ferroelettrici contengono anche piombo, che è tossico, e la sua presenza nei dispositivi piezoelettrici è uno dei motivi per cui i rifiuti elettronici sono difficili da riciclare. I ferroelettrici tradizionali come gli ossidi di perovskite sono inoltre inadatti per dispositivi elettrici flessibili a contatto con la pelle, come dispositivi biomedici indossabili che monitorano la frequenza cardiaca.
Pubblicato sulla rivista scientifica Nature Materials il mese scorso, il nuovo materiale è stato creato alla NTU dal Professor Fan Hong Jin della School of Physical &Mathematical Sciences e dal suo team, compreso il suo dottorato di ricerca. studente Mr Hu Yuzhong che è il primo autore di questo articolo. Fa parte del team anche il professor Junling Wang della Southern University of Science and Technology, Cina, un ex professore NTU presso la Scuola di Scienza e Ingegneria dei Materiali.
Il professor Fan ha detto, "Essendo più di 40 volte più flessibile rispetto a materiali elettrostrittivi simili, il nuovo materiale ferroelettrico può essere utilizzato in dispositivi altamente efficienti come attuatori e sensori che si flettono quando viene applicato un campo elettrico. Con le sue proprietà piezoelettriche superiori, il materiale può essere utilizzato anche in dispositivi meccanici che raccolgono energia quando piegati, che sarà utile per ricaricare i dispositivi indossabili.
"Pensiamo di poter migliorare sostanzialmente queste prestazioni in futuro ottimizzando ulteriormente la composizione chimica, e crediamo che questo tipo di materiale possa svolgere un ruolo chiave nello sviluppo di dispositivi indossabili per l'Internet of Things (IOT), una delle tecnologie chiave che abilitano la 4a rivoluzione industriale."
Sviluppo di un materiale ferroelettrico flessibile
Per sviluppare un materiale ferroelettrico flessibile, i ricercatori hanno modificato la struttura chimica di un composto ferroelettrico ibrido C 6 h 5 N(CH 3 ) 3 CdCl 3 , o PCCF in breve, che possono potenzialmente piegarsi fino a cento volte di più rispetto ai tradizionali ferroelettrici.
Per aumentare ulteriormente la gamma di movimento del materiale, gli scienziati hanno modificato la composizione chimica del composto sostituendo alcuni dei suoi atomi di cloro (Cl) al bromo (Br), che ha una dimensione simile al cloro, per indebolire i legami chimici in punti specifici della struttura. Ciò ha reso il materiale più flessibile senza intaccare le sue qualità piezoelettriche.
Il nuovo materiale è facile da produrre, richiedendo solo un'elaborazione basata sulla soluzione in cui il cristallo si forma mentre il liquido evapora, a differenza dei tipici cristalli ferroelettrici che richiedono l'uso di laser ad alta potenza ed energia per formarsi.
Quando un campo elettrico è stato applicato al nuovo composto PCCF, gli atomi in esso si sono spostati sostanzialmente più degli atomi nella maggior parte dei ferroelettrici convenzionali, tendendo fino al 22% in più rispetto ai materiali piezoelettrici convenzionali.
