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Jul 15, 2023

Prestazioni piezoelettriche ultraelevate dimostrate nei materiali ceramici

May 18, 2022 by Jamie

18 maggio 2022

di Jamie Oberdick, Pennsylvania State University

La capacità dei materiali piezoelettrici di convertire l'energia meccanica in energia elettrica e viceversa li rende utili per varie applicazioni, dalla robotica alla comunicazione ai sensori. Secondo un team di ricercatori della Penn State e della Michigan Technological University, una nuova strategia di progettazione per la creazione di ceramiche piezoelettriche ad altissime prestazioni apre la porta a usi ancora più vantaggiosi per questi materiali.

"Per molto tempo, le ceramiche piezoelettriche policristalline hanno mostrato una risposta piezoelettrica limitata rispetto ai cristalli singoli", ha affermato Shashank Priya, vicepresidente associato per la ricerca e professore di scienza e ingegneria dei materiali alla Penn State e coautore dello studio pubblicato sulla rivista rivista Scienza Avanzata. "Esistono molti meccanismi che limitano l'entità della piezoelettricità nei materiali ceramici policristallini. In questo articolo dimostriamo un nuovo meccanismo che ci consente di aumentare l'entità del coefficiente piezoelettrico diverse volte superiore a quanto normalmente previsto per una ceramica."

Il coefficiente piezoelettrico, che descrive il livello di risposta piezoelettrica di un materiale, è misurato in picocoulomb per Newton.

"Abbiamo raggiunto quasi 2.000 picocoulomb per Newton, il che rappresenta un progresso significativo, perché nella ceramica policristallina, questa grandezza è sempre stata limitata a circa 1.000 picocoulomb per Newton", ha affermato Priya. "2.000 erano considerati un obiettivo irraggiungibile nella comunità della ceramica, quindi raggiungere quel numero è davvero drammatico."

Il percorso verso la scoperta del nuovo meccanismo è iniziato con una domanda: quali fattori controllano l’entità della costante piezoelettrica? La costante piezoelettrica è la carica generata da un'unità di forza applicata, picocoulomb per Newton, che a sua volta dipende dagli effetti che si verificano su scala atomica e meso.

"Ci siamo chiesti quali siano alcuni effetti fondamentali, quasi su scala atomica, dei parametri fondamentali che limitano o controllano la risposta?" Ha detto Priya. "Utilizzando il modello multiscala sviluppato presso il Michigan Tech, che è una combinazione di diverse tecniche di modellazione per colmare la scala della lunghezza, abbiamo effettuato un'indagine molto dettagliata su due fenomeni."

Uno era l’eterogeneità chimica, che descrive come gli atomi di diversi elementi in un materiale sono distribuiti su scala nanometrica. Questo è importante perché le diverse posizioni atomiche e i siti che occupano sono fondamentali per la risposta piezoelettrica. Il secondo è l'anisotropia, l'influenza dell'orientamento cristallografico. Questo è importante perché le proprietà piezoelettriche di un materiale sono più elevate lungo una certa direzione cristallografica.

"Immaginiamo che il materiale sia come un cubo: un cubo ha assi diversi, una diagonale della faccia e una diagonale del corpo, e quindi la risposta piezoelettrica cambia in tutte queste diverse direzioni", Yu U. Wang, professore di scienza e ingegneria dei materiali, Michigan Technical Università, ha detto. "E così, dimostriamo che allineando tutti i grani in un materiale ceramico lungo determinati assi cristallografici, possiamo ottenere una risposta piezoelettrica molto elevata. Abbiamo creato una quantità molto elevata di eterogeneità locale e un orientamento dei grani molto elevato nel materiale ceramico, e la combinazione di questi due parametri di controllo fondamentali ha portato ad un’elevata risposta piezoelettrica nella ceramica."

I ricercatori hanno scoperto che se si aggiunge una piccola quantità di europio alla ceramica, l’europio occuperà l’angolo del reticolo cubico. Ciò crea l'eterogeneità chimica nel materiale necessaria per un'elevata risposta piezoelettrica. I ricercatori sono stati in grado di amplificare ulteriormente la risposta orientando il 99% dei grani di cristallo.

La combinazione di questi due effetti non è stata esplorata prima, secondo Yongke Yan, professore associato di ricerca in scienza e ingegneria dei materiali e autore principale di questo studio.