(Phys.org)—L'effetto piezoelettrico, che fa espandere un materiale lungo la direzione di un campo elettrico applicato, è comune in molti materiali e utilizzato in una varietà di tecnologie, dagli ultrasuoni medici all'elettronica a vibrazione. Ma l'effetto piezoelettrico negativo, in cui un materiale si contrae anziché espandersi nella direzione del campo elettrico applicato, è stata considerata un'anomalia rara e controintuitiva, e ha ricevuto poca attenzione.

Ora in un nuovo articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , i fisici Shi Liu e R. E. Cohen del Carnegie Institute for Science di Washington, DC, hanno identificato 93 materiali che esibiscono l'effetto piezoelettrico negativo, dimostrando che è molto più comune di quanto si pensasse in precedenza. Hanno anche studiato le origini dell'effetto piezoelettrico negativo, che potrebbe portare allo sviluppo di nuovi dispositivi piezoelettrici.

"L'effetto piezoelettrico longitudinale negativo non è stato ben esaminato in passato, "Cohen ha detto Phys.org . "Il nostro articolo è il primo lavoro a svolgere un'indagine sistematica sul meccanismo dell'effetto piezoelettrico negativo. Approfittando del ben curato database di materiali open source ospitato dal Materials Project, siamo in grado di identificare rapidamente quasi 100 materiali che possiedono questa risposta insolita letteralmente in pochi minuti. Questo lavoro mette in evidenza come i calcoli dettagliati della meccanica quantistica e l'informatica dei materiali possono lavorare insieme per accelerare la scoperta e la progettazione dei materiali".

Come hanno spiegato i ricercatori, piezoelettricità contiene due componenti:un contributo di ioni clampati, che è puramente elettronico, e un contributo di tensione interna, che deriva da rilassamenti atomici microscopici.

Nel nuovo studio, i fisici hanno scoperto che la differenza chiave tra i materiali piezoelettrici convenzionali e negativi è quale contributo è maggiore. Nei piezoelettrici convenzionali, domina il contributo della deformazione interna, mentre nei piezoelettrici negativi domina la risposta degli ioni clampati, indicando la presenza di forti legami ionici e piccoli rilassamenti atomici in questi materiali.

I ricercatori hanno quindi cercato un database esistente di quasi 1000 materiali piezoelettrici e hanno identificato 93 composti che possiedono un componente dominante a ioni clampati, contrassegnandoli come piezoelettrici negativi.

Nella loro analisi, i fisici scoprirono anche un'altra caratteristica insolita dei materiali piezoelettrici negativi, che è che l'alta pressione aumenta la loro ferroelettricità. Questo è l'opposto di quanto si osserva nei materiali piezoelettrici convenzionali, dove alte pressioni provocano una diminuzione della ferroelettricità. I ricercatori sperano che questa ferroelettricità potenziata dalla pressione dei materiali piezoelettrici negativi possa portare alla progettazione di nuovi dispositivi.

"Questo lavoro illustra il potere della teoria e dell'informatica insieme, e noi (e altri) possiamo usare questo approccio per trovare altri nuovi tipi di materiali interessanti, " Liu ha detto. "Per quanto riguarda i piezoelettrici, speriamo che questo lavoro possa ispirare studi sperimentali sull'effetto piezoelettrico longitudinale negativo. I nostri colleghi qui stanno lavorando per sintetizzare alcuni dei composti con risposta piezoelettrica negativa che abbiamo proposto nel documento. Sarà anche molto interessante indagare cosa accadrà se creiamo un sistema di materiale composito con strati alternati di piezoelettrici convenzionali con risposta positiva e quelli con risposta negativa. Quando accendi il campo elettrico, alcuni livelli si espanderanno mentre alcuni livelli si contrarranno. Tale concorrenza può dare origine a fisica insolita e potenzialmente consentire nuove applicazioni".

© 2017 Phys.org