Metal piezoelétrico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/05/2003

Músculos de metal para robôs miniaturizados ou para pequenas próteses. Esta é uma das visões que poderão se tornar realidade graças a uma descoberta feita pelo laboratório alemão Forschungszentrum Karlsruhe. Os cientistas criaram um novo material metálico, à base de platina, mas com nanoporos. O novo material se expande e se contrai sob a ação de uma corrente elétrica. Desta forma, o material converte diretamente energia elétrica em mecânica e vice-versa.

Este o mesmo comportamento dos materiais piezoelétricos, como o cristal de quartzo e as cerâmicas piezoelétricas. Mas o novo material agora desenvolvido, além de poder custar mais barato, trabalha com voltagens mais baixas. É a primeira vez que alterações macroscópicas de comprimento, visíveis e mensuráveis, foram observadas em um material metálico, com tão baixa corrente.

O efeito piezoelétrico poderá ser utilizado em atuadores (converte eletricidade em energia mecânica) e em transdutores (converte energia mecânica em energia elétrica). Isto permite a construção de chaves e controles, indicadores diretos de voltagens e uma série de outros sensores. A conversão direta de eletricidade em energia mecânica pode ser utilizada para a criação de "músculos metálicos" que darão movimento a pequenos robôs ou mesmo a próteses humanas. Mas as aplicações possíveis do material passam ainda por válvulas microscópicas, ótica adptativa e materiais inteligentes capazes de alterar seu formato conforme a necessidade. O efeito de transdução pode ser utilizado, por exemplo, em sensores que disparam o "air-bag" dos automóveis.

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A platina nanoparticulada foi produzida a partir da evaporação de platina pura em um ambiente fechado com gás nobre. Ao condensar-se a platina forma partículas de menos do que 5 nanômetros de tamanho. Estas partículas foram então compactadas, formando um bloco poroso. Este bloco sólido foi mergulhado em um eletrólito, um fluido condutivo, que preencheu as cavidades. Quando o bloco é submetido a uma corrente elétrica, o fluido condutivo encarrega-se de fazer a eletricidade chegar a cada nanopartícula do sólido. A corrente elétrica altera as cargas do eletrólito. Como resultado, cargas elétricas são também induzidas nas superfícies das nanopartículas, alterando o número de elétrons dos átomos dessas nanopartículas, o que altera sua identidade química.

Em princípio, este efeito é bem conhecido pela física dos semicondutores. De fato, este é o princípio de funcionamento dos transistores de efeito de campo (FET), um dos elementos básicos dos circuitos integrados. A grande novidade consiste no fato de que, ao se utilizar um metal, a carga induzida não é espalhada sobre uma ampla área como no caso dos semicondutores. Ao contrário, a carga permanece confinada em uma estreita zona próxima à superfície. Nessa região, a densidade de cargas é muito mais alta do que nos semicondutores. O excesso de carga pode chegar até um elétron por átomo (a mais ou a menos). Isto significa que se torna possível, em princípio, alterar de forma reversível os átomos da superfície, em termos de suas características químicas, de um número atômico para cima ou para baixo. Este processo não tinha sido feito até hoje por métodos físicos. Como a estrutura dos elétrons determina praticamente todas as propriedades físicas do material, descobriu-se na verdade uma forma totalmente nova de se produzir materiais com características ajustáveis, e de maneira reversível. Por exemplo, poderá ser possível a construção de materiais com características óticas e magnéticas alteráveis.

Nos experimentos até agora efetuados, o efeito foi utilizado para alterar a ligação atômica dos átomos da superfície do material. Neste caso, os átomos da superfície tendem a se mover para posições mais próximas ou mais distantes dos seus vizinhos. Em contraste com os sólidos macroscópicos, o compartamento das nanopartículas é principalmente ditada pelo comportamento de suas superfícies. Isto fez com que a alteração das distâncias dos átomos causasse o aumento ou a diminuição de cada partícula como um todo. Em decorrência, com a alteração do tamanho de todas as nanopartículas, alterou-se também o tamanho de todo o sólido. Alterações nas dimensões do sólido de 0,15% foram conseguidas com a aplicação de tensões menores do que um volt.

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