Un primer plano del nuevo cristal piezoeléctrico desarrollado por científicos de NTU, que puede flexionarse hasta 40 veces más que los cristales ferroeléctricos convencionales que se utilizan normalmente en pequeños actuadores y sensores.
Un equipo de investigadores dirigido por la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur) ha desarrollado un nuevo material, que cuando se le aplica electricidad, puede flexionarse y doblarse cuarenta veces más que sus competidores, abriendo el camino a mejores micro máquinas.
En cambio, cuando está doblado, genera electricidad de manera muy eficaz y podría utilizarse para una mejor "recolección de energía", lo que podría recargar las baterías de los dispositivos con los movimientos cotidianos.
El nuevo material es tanto electroestrictivo como piezoeléctrico. Sus propiedades electroestrictivas significan que puede cambiar de forma cuando se aplica una corriente eléctrica, mientras que piezoeléctrico significa que el material puede convertir la presión en cargas eléctricas.
Cuando se aplica un campo eléctrico, los átomos que componen los materiales electroestrictivos cambian, haciendo que el material se deforme y flexione. Cuando se comprimen los piezoeléctricos, la presión se convierte en cargas eléctricas que se acumulan en el material.
Los científicos descubrieron que cuando se aplica un campo eléctrico, el nuevo material híbrido se podría filtrar hasta en un 22%, la mayor deformación registrada hasta ahora en un material piezoeléctrico. Esto supera con creces a los materiales piezoeléctricos convencionales que solo se deforman hasta un 0,5% cuando pasa una corriente a través de ellos. El nuevo material también es más eficiente energéticamente que otros materiales piezoeléctricos y electroestrictivos.
Los materiales piezoeléctricos se utilizan comúnmente en guitarras, altavoces, sensores y motores eléctricos. Por ejemplo, Una pastilla piezoeléctrica es un dispositivo que se utiliza en una guitarra eléctrica para convertir las vibraciones de las cuerdas en una señal eléctrica. que luego se procesa para la grabación de música o para ser amplificado a través de altavoces.
Los cristales ferroeléctricos se descubrieron por primera vez en 1920 y se han utilizado para fabricar piezoeléctricas durante más de 70 años. ya que se integran fácilmente en dispositivos eléctricos.
Sin embargo, son frágiles e inflexibles, doblando solo 0.5%, lo que limita en gran medida su aplicación en dispositivos electrónicos como actuadores (partes que convierten una señal de control eléctrico en movimiento mecánico, por ejemplo, una válvula que se abre y se cierra).
Algunos ferroeléctricos también contienen plomo, que es tóxico, y su presencia en dispositivos piezoeléctricos es una de las razones por las que los desechos electrónicos son difíciles de reciclar. Los ferroeléctricos tradicionales como los óxidos de perovskita tampoco son adecuados para dispositivos eléctricos flexibles que están en contacto con la piel. como dispositivos biomédicos portátiles que rastrean la frecuencia cardíaca.
Publicado en la revista científica Nature Materials el mes pasado, el nuevo material fue creado en NTU por el profesor Fan Hong Jin de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas y su equipo, incluyendo su Ph.D. estudiante Sr. Hu Yuzhong, quien es el primer autor de este artículo. También forma parte del equipo el profesor Junling Wang de la Universidad del Sur de Ciencia y Tecnología, Porcelana, ex profesor de NTU en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales.
El profesor Fan dijo:"Al ser más de 40 veces más flexible que materiales electroestrictivos similares, El nuevo material ferroeléctrico se puede utilizar en dispositivos altamente eficientes como actuadores y sensores que se flexionan cuando se aplica un campo eléctrico. Con sus propiedades piezoeléctricas superiores, el material también se puede utilizar en dispositivos mecánicos que recolectan energía cuando se doblan, que será útil para recargar dispositivos portátiles.
"Creemos que podemos mejorar sustancialmente este rendimiento en el futuro optimizando aún más la composición química, y creemos que este tipo de material podría desempeñar un papel clave en el desarrollo de dispositivos portátiles para Internet de las cosas (IOT), una de las tecnologías clave que posibilitó la 4ª Revolución Industrial ".
Desarrollo de un material ferroeléctrico flexible
Desarrollar un material ferroeléctrico flexible, los investigadores modificaron la estructura química de un compuesto ferroeléctrico híbrido C 6 H 5 N (CH 3 ) 3 CdCl 3 , o PCCF en resumen, que potencialmente puede doblarse hasta cien veces más que los ferroeléctricos tradicionales.
Para aumentar aún más el rango de movimiento del material, los científicos modificaron la composición química del compuesto sustituyendo algunos de sus átomos de cloro (Cl) por bromo (Br), que tiene un tamaño similar al cloro, para debilitar los enlaces químicos en puntos específicos de la estructura. Esto hizo que el material fuera más flexible sin afectar sus cualidades piezoeléctricas.
El nuevo material es fácil de fabricar, requiriendo solo un procesamiento basado en solución en el que el cristal se forma a medida que el líquido se evapora, a diferencia de los cristales ferroeléctricos típicos que requieren el uso de láseres de alta potencia y energía para formarse.
Cuando se aplicó un campo eléctrico al nuevo compuesto de PCCF, los átomos en él se desplazaron sustancialmente más que los átomos en la mayoría de los ferroeléctricos convencionales, esforzándose hasta un 22% mucho más que los materiales piezoeléctricos convencionales.
