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Jul 15, 2023

Desempenho piezoelétrico ultraelevado demonstrado em materiais cerâmicos

18 de maio de 2022 por Jamie

18 de maio de 2022

por Jamie Oberdick, Universidade Estadual da Pensilvânia

A capacidade dos materiais piezoelétricos de converter energia mecânica em energia elétrica e vice-versa os torna úteis para várias aplicações, desde robótica até comunicação com sensores. Uma nova estratégia de design para criar cerâmicas piezoelétricas de alto desempenho abre as portas para usos ainda mais benéficos para esses materiais, de acordo com uma equipe de pesquisadores da Penn State e da Michigan Technological University.

"Durante muito tempo, as cerâmicas policristalinas piezoelétricas mostraram uma resposta piezoelétrica limitada em comparação com monocristais", disse Shashank Priya, vice-presidente associado de pesquisa e professor de ciência e engenharia de materiais na Penn State e co-autor do estudo publicado no Revista Ciência Avançada. "Existem muitos mecanismos que limitam a magnitude da piezoeletricidade em materiais cerâmicos policristalinos. Neste artigo, demonstramos um novo mecanismo que nos permite aumentar a magnitude do coeficiente piezoelétrico várias vezes mais do que o normalmente esperado para uma cerâmica."

O coeficiente piezelétrico, que descreve o nível de resposta piezoelétrica de um material, é medido em picocoulombs por Newton.

“Alcançamos cerca de 2.000 picocoulombs por Newton, o que é um avanço significativo, porque em cerâmica policristalina essa magnitude sempre foi limitada a cerca de 1.000 picocoulombs por Newton”, disse Priya. "2.000 era considerado uma meta inalcançável na comunidade de cerâmica, portanto, atingir esse número é muito dramático."

O caminho para a descoberta do novo mecanismo começou com uma pergunta: quais fatores controlam a magnitude da constante piezoelétrica? A constante piezoelétrica é a carga gerada por uma unidade de força aplicada, picocoulomb por Newton, que por sua vez depende dos efeitos que ocorrem na escala atômica à mesoescala.

"Nós nos perguntamos quais são alguns efeitos básicos, quase em escala atômica, dos parâmetros fundamentais que limitam ou controlam a resposta?" disse Priya. “Usando o modelo multiescala desenvolvido na Michigan Tech, que é uma combinação de diferentes técnicas de modelagem para unir a escala de comprimento, realizamos uma investigação muito detalhada de dois fenômenos”.

Um deles era a heterogeneidade química, que descreve como átomos de diferentes elementos em um material são distribuídos em nanoescala. Isso é importante porque as diferentes posições atômicas e os locais que elas ocupam são críticos para a resposta piezoelétrica. A segunda é a anisotropia, a influência da orientação cristalográfica. Isso é importante porque as propriedades piezoelétricas em um material são maiores ao longo de uma certa direção cristalográfica.

"Imagine que o material é como um cubo - um cubo tem eixos diferentes, uma diagonal de face e uma diagonal de corpo e, portanto, a resposta piezoelétrica muda em todas essas direções diferentes", Yu U. Wang, professor de ciência e engenharia de materiais, Michigan Technical Universidade, disse. "E assim, mostramos que ao alinhar todos os grãos em um material cerâmico ao longo de certos eixos cristalográficos, podemos obter uma resposta piezoelétrica muito alta. Criamos uma quantidade muito alta de heterogeneidade local e uma orientação de grão muito alta no material cerâmico, e a combinação desses dois parâmetros básicos de controle levou a uma alta resposta piezoelétrica em cerâmica."

Os pesquisadores descobriram que se você adicionar uma pequena quantidade do elemento de terras raras európio à cerâmica, o európio ocupará o canto da rede cúbica. Isso cria a heterogeneidade química no material que é necessária para uma alta resposta piezoelétrica. Os pesquisadores foram capazes de ampliar ainda mais a resposta obtendo 99% dos grãos de cristal orientados.

A combinação desses dois efeitos não foi explorada antes, de acordo com Yongke Yan, professor de pesquisa associado em ciência e engenharia de materiais e principal autor deste estudo.