Lo sviluppo di una base teorica per la piezoelettricità ultraelevata nei materiali ferroelettrici ha portato a un nuovo materiale con una risposta piezoelettrica doppia rispetto a qualsiasi ceramica ferroelettrica commerciale esistente, secondo un team internazionale di ricercatori della Penn State, Cina e Australia.

La piezoelettricità è la proprietà del materiale alla base degli ultrasuoni medici, sonar, controllo attivo delle vibrazioni e molti sensori e attuatori. Un materiale piezoelettrico ha la capacità di deformarsi meccanicamente quando viene applicata una tensione elettrica o di generare carica elettrica quando viene applicata una forza meccanica.

L'aggiunta di piccole quantità di un materiale di terre rare accuratamente selezionato, samario, a una ceramica piezoelettrica ad alte prestazioni chiamata piombo magnesio niobato-titanato di piombo (PMN-PT) aumenta notevolmente le sue prestazioni piezoelettriche, i ricercatori riferiscono in Materiali della natura questa settimana. Questa strategia di material-by-design sarà utile nella progettazione di materiali anche per altre applicazioni, la squadra crede

"Questo non è il modo tipico di sviluppare nuovi materiali, " ha detto l'autore corrispondente della squadra, Lungo Qing Chen, Donald W. Hamer Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali, professore di matematica, e professore di scienze ingegneristiche e meccaniche, Penn State. "La maggior parte dei materiali utili esistenti viene scoperta da esperimenti per tentativi ed errori. Ma qui abbiamo progettato e sintetizzato una nuova ceramica piezoelettrica guidata dalla teoria e dalle simulazioni".

Il team ha prima analizzato l'impatto dell'aggiunta di vari droganti chimici sulla struttura locale di una ceramica ferroelettrica esistente. Sono stati quindi in grado di ridurre il pool di droganti efficaci confrontando le perdite dielettriche misurate con le firme ottenute dalle simulazioni del campo di fase. Dopo lo screening dei droganti, si sono poi concentrati sull'ottimizzazione del processo e della composizione per ottenere la piezoelettricità ultraelevata.

"Questo lavoro si basa sulla comprensione dell'origine della piezoelettricità ultraelevata nei cristalli ferroelettrici che sono stati sviluppati 30 anni fa. La nostra nuova comprensione ha suggerito che l'eterogeneità della struttura locale svolge un ruolo importante nella piezoelettricità nei ferroelettrici, che può essere esteso anche ad altre funzionalità, ", ha affermato l'autore corrispondente Shujun Zhang, un professore di scienza dei materiali precedentemente alla Penn State e ora all'Università di Wollongong in Australia.

L'eterogeneità della struttura locale si riferisce a distorsioni strutturali su scala nanometrica all'interno di un materiale ospite creato drogando una piccola quantità di specie chimiche, in questo caso drogando samario in ceramica PMN-PT, come un modo per modificare il panorama energetico termodinamico del materiale, che a sua volta aumenta le proprietà dielettriche, la capacità di un materiale di rispondere a un campo elettrostatico, e l'effetto piezoelettrico.

"Questo materiale è una buona scelta da utilizzare nei trasduttori, come quelli utilizzati negli ultrasuoni medici, " ha detto l'autore principale Fei Li, un ricercatore associato alla Penn State. "Abbiamo già dispositivi realizzati con il nostro materiale da un gruppo della University of Southern California".

quel dispositivo, chiamato trasduttore ad ago, utilizza un elemento piezoelettrico submillimetrico del materiale Penn State, inserito in un ago o catetere standard, per eseguire procedure minimamente invasive, all'immagine all'interno del corpo o per guidare la chirurgia di precisione all'interno del corpo. Il dispositivo ha prestazioni migliori rispetto ai dispositivi esistenti con le stesse dimensioni, Li ha detto.

Penn State ha depositato un brevetto provvisorio sul materiale.