Structuri nanometrice induse termic deblochează proprietăți electromecanice în ceramice
Cercetătorii au dezvoltat o metodă nouă de obținere a materialelor ceramice capabile să reziste la temperaturi extreme și să funcționeze fiabil în senzori și actuatori. Procedeul creează structuri minuscule în tot volumul materialului, conferindu-i proprietăți electrice și mecanice noi.
Echipa internațională a creat ceea ce descrie drept „heterostructuri feroelectrice masive” într-o ceramică fără plumb din ferită de bismut și titanat de bariu. În loc să construiască materialul din numeroase straturi ultra-subțiri, cercetătorii au folosit căldura pentru a reorganiza materialul din interior. Astfel au apărut regiuni minuscule cu compoziții chimice ușor diferite, fiecare de mii de ori mai mică decât lățimea unui fir de păr. Împreună, aceste regiuni au format o rețea internă care a schimbat modul în care electricitatea și forțele mecanice se propagă prin material.
Studiul, publicat în Science Advances, abordează o provocare de lungă durată în știința materialelor. Multe dintre comportamentele electrice și electromecanice care apar la interfețe pot fi obținute în dispozitive cu straturi subțiri, dar transpunerea acestor efecte în materiale solide potrivite pentru aplicații practice s-a dovedit dificilă. Noul studiu demonstrează o cale de a reproduce aceste efecte într-o arhitectură ceramică scalabilă.
Domeniile de aplicare identificate includ senzori piezoelectrici pentru temperaturi înalte, traductoare ultrasonice și actuatori electromecanici, în special acolo unde materialele convenționale întâmpină limitări din cauza temperaturii, solicitărilor electrice sau cerințelor de stabilitate pe termen lung.
„Multe dintre cele mai interesante comportamente ale materialelor feroelectrice au fost limitate istoric la straturi subțiri, unde interfețele pot fi proiectate cu atenție. Ceea ce am arătat este că efecte de interfață similare pot fi generate în tot volumul unei ceramice solide. Aceasta creează oportunități noi de a controla comportamentul electric și mecanic al acestor materiale”, a declarat dr. David Hall, conferențiar în ceramică la Departamentul de Materiale și la Institutul Henry Royce din cadrul Universității din Manchester.
Folosind microscopie atomică, spectroscopie și modelare computațională, cercetătorii au constatat că tratamentul termic determină o partiționare elementală la scară nanometrică, creând regiuni bogate în bismut și regiuni bogate în bariu în cadrul unei rețele cristaline coerente. Aceste regiuni distincte din punct de vedere compozițional generează câmpuri electrice locale, câmpuri de deformare elastică și pereți de domeniu încărcați care influențează comportamentul materialului sub solicitare electrică și mecanică.
Una dintre cele mai izbitoare descoperiri a fost impactul asupra performanței termice. Cercetătorii raportează o temperatură Curie de 824°C în materialul modificat, cu peste 350°C mai mare decât cea a materialului de plecare. Ceramica a menținut, de asemenea, o performanță piezoelectrică puternică la temperaturi relevante pentru aplicațiile industriale de detecție și monitorizare.
Echipa a demonstrat și o metodă de creare a unui comportament feroelectric programabil. Combinând condiționarea electrică sau mecanică cu îmbătrânirea termică, au reușit să imprimă configurații de domenii preferate în material. Aceste configurații rămân recuperabile după aplicarea unor câmpuri electrice puternice, permițând răspunsuri electromecanice reversibile, adesea greu de obținut în feroelectricele masive convenționale. Într-o configurație, cercetătorii au obținut deformări de forfecare reversibile mari, o caracteristică utilă în tehnologiile de actuatori.
Studiul raportează și câmpuri de polarizare internă care depășesc 8 MV/m, substanțial mai mari decât cele observate de obicei în materialele feroelectrice masive tradiționale.
Lucrarea se bazează pe aproximativ un deceniu de cercetare privind ceramicele piezoelectrice fără plumb la Universitatea din Manchester și a condus deja la protejarea proprietății intelectuale pentru materialele și metoda de fabricație. Echipa de cercetare susține transpunerea rezultatelor spre potențiale aplicații industriale.
Studiul a implicat cercetători de la Universitatea din Manchester, Institutul Henry Royce, Universitatea ShanghaiTech, Academia Chineză de Științe, Diamond Light Source, Universitatea din Leeds și Universitatea Sheffield Hallam.
„Semnificația mai largă a acestei lucrări este că introduce un nou cadru de proiectare. În loc să ne concentrăm exclusiv pe schimbarea compoziției, putem folosi auto-organizarea controlată la scară nanometrică pentru a construi noi funcționalități direct într-un material. Credem că acest concept ar putea fi aplicat într-o gamă mult mai largă de materiale feroice în viitor”, a adăugat dr. Hall.
