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Materiais Avançados

Nióbio torna piezoeletricidade incrivelmente simples

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/08/2020

Nióbio torna piezoeletricidade mais simples e mais eficiente
O nióbio forma nanopilares espontaneamente durante o processamento. São eles os responsáveis pela emergência do efeito.
[Imagem: Huajun Liu et al. - 10.1126/science.abb3209]

Piezoeletricidade com nióbio

Se você tem um relógio de pulso ou uma impressora jato de tinta, está desfrutando da piezoeletricidade, a característica que alguns materiais têm de gerar um "tranco" quando recebem uma corrente elétrica ou, ao contrário, de produzirem uma corrente elétrica quando recebem um tranco.

Seja o minúsculo cristal de quartzo que dita o ritmo do relógio ou o atuador de precisão que controla o disparo da tinta na impressora, os dispositivos piezoelétricos são altamente dependentes dos materiais usados para produzi-los.

Por mais de 60 anos, a principal maneira de aumentar o desempenho dos materiais piezoelétricos tem sido construir "fronteiras multifásicas", camadas do material com composições químicas precisamente ajustadas. No entanto, essa estratégia geralmente envolve composições químicas complexas e resulta em materiais que não são estáveis a altas temperaturas.

Huajun Liu e colegas do Instituto de Pesquisas e Engenharia de Materiais, em Cingapura, acabam de superar essa deficiência criando uma técnica muito simples para induzir uma resposta piezoelétrica de um material.

Para isso, eles saíram da receita tradicional, baseada em chumbo, zircônio e titânio (PZT), e usaram o nióbio, um metal mais conhecido no campo da supercondutividade.

"Com apenas três elementos - sódio, nióbio e oxigênio - obtivemos uma resposta piezoelétrica eficaz muito maior em comparação com as composições complexas projetadas usando a estratégia convencional," disse o professor Kui Yao, coordenador da equipe.

Resposta estrutural

O segredo de um sucesso um tanto inesperado em uma área tão pesquisada foi que o material de filme fino forma estruturas espontaneamente durante o processo de deposição, estruturas na forma de pilares com poucos nanômetros de altura.

Os nanopilares do nióbio criam distorções estruturais que reduzem a simetria do cristal, melhorando significativamente o desempenho piezoelétrico.

"Usando nossos novos filmes, observamos um coeficiente piezoelétrico efetivo gigantesco, mais do que o dobro dos filmes de titanato de zirconato de chumbo (PZT) atualmente dominantes no mercado, com um campo elétrico aplicado de 125 kV/cm a 1 kHz," disse Yao.

Outro benefício, além do ganho de rendimento, é que a eliminação do chumbo é importante porque torna o material mais ecológico.

Finalmente, os resultados mostraram que o material permaneceu piezoelétrico a até 450 °C, o que o torna adequado para dispositivos eletromecânicos necessários para operar em equipamentos industriais e veículos.

Bibliografia:

Artigo: Giant piezoelectricity in oxide thin films with nanopillar structure
Autores: Huajun Liu, Haijun Wu, Khuong Phuong Ong, Tiannan Yang, Ping Yang, Pranab Kumar Das, Xiao Chi, Yang Zhang, Caozheng Diao, Wai Kong Alaric Wong, Eh Piew Chew, Yi Fan Chen, Chee Kiang Ivan Tan, Andrivo Rusydi, Mark B. H. Breese, David J. Singh, Long-Qing Chen, Stephen J. Pennycook, Kui Yao
Revista: Science
Vol.: 369, Issue 6501, pp. 292-297
DOI: 10.1126/science.abb3209





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