L'uso di un campo elettrico AC piuttosto che DC può migliorare la risposta piezoelettrica di un cristallo. Ora, un team internazionale di ricercatori afferma che i cicli dei campi AC rendono anche i domini cristallini interni in alcuni materiali più grandi e il cristallo trasparente.

"Ci sono state segnalazioni secondo cui l'uso di campi CA potrebbe migliorare significativamente le risposte piezoelettriche, ad esempio dal 20% al 40%, rispetto ai campi CC e i miglioramenti sono sempre stati attribuiti alle dimensioni più piccole del dominio ferroelettrico interno risultanti dai cicli di campi AC, " disse Long-Qing Chen, Hamer Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali, professore di scienze ingegneristiche e meccaniche, e professore di matematica alla Penn State. "Circa tre anni fa, Dott. Fei Li, poi ricercatore associato presso il Materials Research Institute di Penn State, ampiamente confermato il miglioramento delle prestazioni piezoelettriche dall'applicazione dei campi in corrente alternata. Però, non era affatto chiaro come si evolvessero i domini ferroelettrici interni durante i cicli AC.

"Il nostro gruppo si occupa principalmente di modellazione al computer, e più di un anno fa abbiamo iniziato a esaminare cosa succede alle strutture del dominio interno se applichiamo campi in corrente alternata a un cristallo piezoelettrico ferroelettrico. Siamo molto curiosi di sapere come si evolvono le strutture di dominio durante i cicli AC. Le nostre simulazioni al computer e i calcoli teorici hanno mostrato una risposta piezoelettrica migliorata, ma le nostre simulazioni hanno anche dimostrato che le dimensioni del dominio ferroelettrico in realtà diventavano più grandi durante i cicli AC anziché più piccole come riportato in letteratura".

I materiali piezoelettrici generano cariche elettriche quando viene applicata una forza meccanica e si deformano o cambiano forma quando viene applicato un campo elettrico. I ricercatori hanno studiato il titanato di piombo e magnesio niobato-PMN-PT, un materiale piezoelettrico disponibile in commercio. I risultati computazionali erano inaspettati perché la maggior parte delle persone nella comunità piezoelettrica crede che più piccoli sono i domini, maggiore è la risposta piezoelettrica.

I domini all'interno di un cristallo sono aree all'interno delle quali i dipoli elettrici o la polarizzazione elettrica si dispongono lungo la stessa direzione. Prima dell'allineamento dei dipoli o della polarizzazione di un cristallo PMN-PT utilizzando un campo elettrico, ci sono molti piccoli domini con polarizzazione lungo direzioni diverse. Poiché i cicli di campi elettrici CA vengono applicati al cristallo, i domini si riallineano, sempre meno numerosi. Dopo diversi cicli di corrente alternata, i domini sono grandi e a strati.

"I risultati della simulazione erano in contraddizione con i rapporti in letteratura, " ha detto Chen. "Avevamo bisogno di scavare più a fondo per vedere se la realtà fosse d'accordo con i risultati della nostra simulazione".

I ricercatori della Xi'an Jiaotong University in Cina hanno poi coltivato i propri cristalli PMN-PT e hanno esaminato attentamente le configurazioni del dominio all'interno dei loro campioni utilizzando varie tecniche di caratterizzazione sperimentale in diverse condizioni di ciclo AC. Hanno confermato le previsioni computazionali di Penn State secondo cui i domini diventano effettivamente più grandi durante i cicli AC.

La dimensione del dominio più grande e le particolari strutture del dominio dello strato suggeriscono anche che un raggio di luce mostrato sul cristallo non sarebbe ostacolato e risplenderebbe attraverso il cristallo:il cristallo sarebbe trasparente. I cristalli non solo possiedono un'altissima piezoelettricità, ma sono anche altamente trasparenti dopo che le loro superfici sono state accuratamente lucidate. Nel passato, cristalli come questo sono sempre stati opachi.

I ricercatori riferiscono oggi (15 gennaio) in Natura che "il lavoro presenta un paradigma per ottenere una combinazione senza precedenti di proprietà e funzionalità attraverso l'ingegneria del dominio ferroelettrico, e i nuovi cristalli ferroelettrici trasparenti qui riportati dovrebbero aprire una vasta gamma di applicazioni di dispositivi ibridi, come l'imaging medico, touch screen ad auto-raccolta di energia e dispositivi robotici invisibili."