Tutti i materiali ferroelettrici possiedono una proprietà nota come piezoelettricità in cui una forza meccanica applicata può generare una corrente elettrica e un campo elettrico applicato può suscitare una risposta meccanica. I materiali ferroelettrici sono utilizzati in un'ampia varietà di applicazioni industriali, dagli ultrasuoni e dal sonar ai condensatori, trasduttori, sensori di vibrazione e telecamere a infrarossi ultrasensibili. Ora, un team internazionale di scienziati guidati da Penn State potrebbe aver risolto l'enigma di 30 anni del perché alcuni cristalli ferroelettrici mostrano risposte piezoelettriche estremamente forti.

Nel 1997, un cristallo di soluzione solido ferroelettrico-relax con la risposta piezoelettrica più alta conosciuta è stato segnalato a Penn State da Thomas R. Shrout, attualmente scienziato senior e professore di scienza e ingegneria dei materiali alla Penn State, e il tardo Seung-Eek Park. Ha una risposta piezoelettrica da cinque a dieci volte superiore a qualsiasi altro materiale ferroelettrico noto.

"Sono stati proposti numerosi meccanismi per spiegare le sue risposte piezoelettriche ultraelevate, ma nessuno di essi offre una spiegazione soddisfacente per tutte le osservazioni sperimentali e le misurazioni associate all'alta risposta. Senza una solida comprensione del meccanismo sottostante, sarebbe difficile progettare nuovi materiali con una risposta piezoelettrica ancora più elevata, " ha detto Fei Li, uno studioso post-dottorato in scienza e ingegneria dei materiali presso la Penn State e autore principale di un recente articolo sulla rivista Comunicazioni sulla natura cercando di spiegare il fenomeno.

Però, la comunità scientifica ha raggiunto un consenso generale sul fatto che qualcosa chiamato nanoregioni polari abbia contribuito all'elevata risposta piezoelettrica dei cristalli relaxor, Li ha detto.

Una nanoregione polare è una regione spaziale all'interno di un cristallo. Ha una dimensione su scala nanometrica (5-10 nm) e possiede una polarizzazione elettrica netta. Ci sono molte regioni così piccole distribuite casualmente nello spazio in un cristallo relaxor. Altri noti materiali piezoelettrici, come il titanato di zirconato di piombo (PZT), non hanno nanoregioni polari, ma invece hanno domini ferroelettrici molto più grandi in cui la polarizzazione è uniforme. Il team ha cercato di dimostrare che le nanoregioni polari erano effettivamente responsabili delle enormi risposte, e, cosa più importante, per determinare il meccanismo con cui aiutano a generare risposte così grandi.

Gli esperimenti sono stati condotti a temperature criogeniche ultrabasse (50-150 K). Ciò ha permesso ai ricercatori di separare le risposte dalle nanoregioni polari, che rimangono attivi all'interno di tale intervallo di temperatura, da quelle alte risposte piezoelettriche che tipicamente si verificano vicino a una transizione di fase ferroelettrica.

"Abbiamo osservato sperimentalmente un miglioramento significativo della risposta piezoelettrica dei cristalli ferroelettrici relaxor nell'intervallo di temperatura di 50-150 K. Questo miglioramento rappresenta il 50-80% della piezoelettricità a temperatura ambiente, " disse Shujun Zhang, un autore senior e professore di scienza e ingegneria dei materiali alla Penn State (attualmente all'Università di Wollongong).

"Abbiamo attribuito il miglioramento osservato sperimentalmente all'esistenza delle nanoregioni polari. Utilizzando la modellazione del campo di fase, abbiamo prima dimostrato che questo significativo miglioramento ha avuto origine dalle nanoregioni polari, cioè., il potenziamento è assente senza la presenza di queste nanoregioni polari, e poi dimostrato come le nanoregioni polari aiutano a generare risposte ultraelevate, " disse Long-Qing Chen, un autore senior e professore di scienza e ingegneria dei materiali Donald Hamer, Penn State. "Il nostro meccanismo proposto è in grado di spiegare con successo tutte le misurazioni sperimentali e le osservazioni associate alle alte risposte. Questo lavoro è un passo importante nella realizzazione del sogno di scoprire nuovi materiali piezoelettrici in base alla progettazione.

Una nota di cautela

"Però, va notato che il nostro modello proposto è un modello mesoscala, che è una scala intermedia. L'origine atomistica dei PNR è ancora una questione aperta, quindi sono ancora necessarie ulteriori ricerche approfondite per chiarire il contributo delle nanoregioni polari su scala atomica. E infatti, il nostro lavoro in corso è focalizzato sulla comprensione dei meccanismi su scala atomica delle nanoregioni polari nelle risposte piezoelettriche, " disse Chen.