Material nanoporoso inovador exibe resposta piezoelétrica gigante

Recentemente, um material nanoporoso super-deformação, composição de titanato de bário, cálcio e zircônio (Ba_0,85Ca_0,15)(De_0,9Zr_0,1)O₃ (BCZT), que apresenta uma resposta piezoelétrica extraordinária (d33 ≈7500 pm V^-1) . Este valor representa uma ordem de grandeza maior do que os materiais piezoelétricos tradicionais, como o titanato de zirconato de chumbo (PZT).

Este estudo, publicado em Ciência Químicamarca a primeira investigação sobre a dependência de deformação das propriedades piezoelétricas em nível nano usando BCZT.

O processo de síntese simples, juntamente com suas excepcionais capacidades piezoelétricas, permite que o BCZT nanoporoso seja um candidato altamente promissor para o desenvolvimento de capacitores e geradores dielétricos ecologicamente corretos para coleta de energia de alta densidade no futuro.

Os materiais piezoelétricos, conhecidos por sua capacidade única de gerar carga elétrica em resposta ao estresse mecânico ou de se deformar sob um campo elétrico, são amplamente utilizados em sensores, transdutores, sonares submarinos e pequenos dispositivos de diagnóstico médico. Por mais de meio século, os materiais piezoelétricos convencionais, que são altamente tóxicos e à base de chumbo, têm sido comercialmente dominantes.

“Nosso objetivo era inventar materiais piezoelétricos sem chumbo que oferecessem desempenho comparável ou até superior aos convencionais. Este não é apenas nosso objetivo, mas um objetivo comum para pesquisadores em todo o mundo”, disse Yukana Terasawa, professor assistente da Faculdade de Ciência Avançada e Tecnologia. na Universidade de Kumamoto, principal autor deste estudo.

Uma das características mais notáveis ​​deste novo material nanoporoso é a sua estrutura ultrafina, com espessura inferior a 30nm. Esta característica contribui significativamente para a sua alta piezoeletricidade. A constante de carga piezoelétrica (dij), especificamente o valor d33 do BCZT, atinge impressionantes 7.500 pm V^-1.

Esta é uma melhoria substancial em comparação com o PZT convencional baseado em chumbo, que tem um valor d33 de cerca de 650 pC V^-1. Isto destaca o potencial do BCZT como uma alternativa superior ao PZT e o posiciona como o material ferroelétrico de maior sucesso nos últimos 50 anos.

Além de suas notáveis ​​propriedades piezoelétricas, este material possui uma abordagem de síntese simples. Métodos tradicionais para sintetizar titanato de bário sem chumbo (BaTiO₃BTO) envolvem processos complexos de remixagem, recalcinação ou preparação em várias etapas.

Em contraste, o BCZT pode ser sintetizado usando um método de modelagem suave, uma técnica baseada em sol-gel que emprega um copolímero dibloco como agente direcionador de poros. Esta abordagem inovadora simplifica significativamente o processo de síntese, tornando-o mais acessível e eficiente.

Este avanço inovador não só abre caminho para a substituição de materiais piezoelétricos convencionais por alternativas mais ecológicas, mas também abre novas possibilidades para o desenvolvimento e aplicação de dispositivos ferroelétricos na captação de energia.

Com elevada eficiência na recolha de energia, espera-se que estes dispositivos inovadores se tornem rivais das fontes de energia tradicionais, como o carvão e os hidrocarbonetos, no futuro.