Todos los materiales ferroeléctricos poseen una propiedad conocida como piezoelectricidad en la que una fuerza mecánica aplicada puede generar una corriente eléctrica y un campo eléctrico aplicado puede provocar una respuesta mecánica. Los materiales ferroeléctricos se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones industriales, desde ultrasonido y sonar hasta condensadores, transductores, sensores de vibración y cámaras infrarrojas ultrasensibles. Ahora, un equipo internacional de científicos dirigido por Penn State puede haber resuelto el acertijo de hace 30 años de por qué ciertos cristales ferroeléctricos exhiben respuestas piezoeléctricas extremadamente fuertes.

En 1997, Thomas R. Shrout informó en Penn State de un cristal de solución sólida ferroeléctrica-relajante con la respuesta piezoeléctrica más alta conocida, actualmente científico senior y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State, y el difunto Parque Seung-Eek. Tiene una respuesta piezoeléctrica de cinco a diez veces mayor que cualquier otro material ferroeléctrico conocido.

"Se han propuesto varios mecanismos para explicar sus respuestas piezoeléctricas ultraaltas, pero ninguno de ellos ofrece una explicación satisfactoria de todas las observaciones y mediciones experimentales asociadas con la alta respuesta. Sin un conocimiento firme del mecanismo subyacente, sería difícil diseñar nuevos materiales con una respuesta piezoeléctrica aún mayor, "dijo Fei Li, becario postdoctoral en ciencia e ingeniería de materiales en Penn State y autor principal de un artículo reciente en la revista Comunicaciones de la naturaleza intentando explicar el fenómeno.

Sin embargo, la comunidad científica ha llegado a un consenso general de que algo llamado nano-regiones polares contribuyó a la alta respuesta piezoeléctrica de los cristales relajantes, Dijo Li.

Una nanorregión polar es una región espacial dentro de un cristal. Tiene un tamaño de nanoescala (5-10 nm) y posee una polarización eléctrica neta. Hay muchas regiones tan diminutas distribuidas aleatoriamente en el espacio en un cristal relajante. Otros materiales piezoeléctricos conocidos, como titanato de circonato de plomo (PZT), no tienen nanorregiones polares, pero en cambio tienen dominios ferroeléctricos mucho más grandes en los que la polarización es uniforme. El equipo se propuso demostrar que las nano regiones polares eran las responsables de las enormes respuestas, y más importante, para determinar el mecanismo por el cual ayudan a generar respuestas tan enormes.

Los experimentos se llevaron a cabo a temperaturas criogénicas ultrabajas (50-150 K). Esto permitió a los investigadores separar las respuestas de las nanorregiones polares, que permanecen activos dentro de ese rango de temperatura, de esas altas respuestas piezoeléctricas que típicamente tienen lugar cerca de una transición de fase ferroeléctrica.

"Observamos experimentalmente una mejora significativa de la respuesta piezoeléctrica de los cristales relajantes-ferroeléctricos en el rango de temperatura de 50-150 K. Esta mejora representa el 50-80% de la piezoelectricidad a temperatura ambiente, "dijo Shujun Zhang, autor principal y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State (actualmente en la Universidad de Wollongong).

"Atribuimos la mejora observada experimentalmente a la existencia de las nanorregiones polares. Utilizando modelos de campo de fase, Primero demostramos que esta mejora significativa se originó en las nano regiones polares, es decir., la mejora está ausente sin la presencia de estas nanorregiones polares, y luego demostró cómo las nano regiones polares ayudan a generar respuestas ultraaltas, "dijo Long-Qing Chen, un autor principal y profesor Donald Hamer de ciencia e ingeniería de materiales, Penn State. “Nuestro mecanismo propuesto es capaz de explicar con éxito todas las mediciones experimentales y observaciones asociadas con las altas respuestas. Este trabajo es un paso importante para hacer realidad el sueño de descubrir nuevos materiales piezoeléctricos por diseño.

Una nota de precaución

"Sin embargo, Cabe señalar que nuestro modelo propuesto es un modelo de mesoescala, que es una escala intermedia. El origen atomístico de los PNR sigue siendo una cuestión abierta, por lo que aún se requieren más investigaciones en profundidad para aclarar la contribución de las nanorregiones polares a escala atómica. Y de hecho, Nuestro trabajo en curso se centra en comprender los mecanismos a escala atómica de las nano regiones polares en las respuestas piezoeléctricas. "dijo Chen.