El desarrollo de una base teórica para la piezoelectricidad ultra alta en materiales ferroeléctricos condujo a un nuevo material con el doble de respuesta piezoeléctrica que cualquier cerámica ferroeléctrica comercial existente. según un equipo internacional de investigadores de Penn State, China y Australia.

La piezoelectricidad es la propiedad material en el corazón del ultrasonido médico, sonar, control activo de vibraciones y muchos sensores y actuadores. Un material piezoeléctrico tiene la capacidad de deformarse mecánicamente cuando se aplica un voltaje eléctrico o de generar carga eléctrica cuando se aplica una fuerza mecánica.

Agregar pequeñas cantidades de un material de tierras raras cuidadosamente seleccionado, samario, a una cerámica piezoeléctrica de alto rendimiento llamada niobato de plomo y magnesio-titanato de plomo (PMN-PT) aumenta drásticamente su rendimiento piezoeléctrico, los investigadores informan en Materiales de la naturaleza esta semana. Esta estrategia de materiales por diseño también será útil en el diseño de materiales para otras aplicaciones, el equipo cree.

"Esta no es la forma típica de desarrollar nuevos materiales, "dijo el coautor correspondiente del equipo, Chen de Qing Largo, Donald W. Hamer, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, profesor de matematicas, y profesor de ingeniería y mecánica, Penn State. "La mayoría de los materiales útiles existentes se descubren mediante experimentos de prueba y error. Pero aquí diseñamos y sintetizamos una nueva cerámica piezoeléctrica guiada por la teoría y las simulaciones".

El equipo analizó primero el impacto de agregar varios dopantes químicos en la estructura local de una cerámica ferroeléctrica existente. Luego pudieron reducir el conjunto de dopantes efectivos comparando las pérdidas dieléctricas medidas con las firmas obtenidas de las simulaciones de campo de fase. Después del cribado de dopantes, luego se enfocaron en optimizar el proceso y la composición para lograr la piezoelectricidad ultra alta.

"Este trabajo se basa en la comprensión del origen de la piezoelectricidad ultra alta en los cristales ferroeléctricos que se desarrollaron hace 30 años. Nuestra nueva comprensión sugirió que la heterogeneidad de la estructura local juega un papel importante en la piezoelectricidad en los ferroeléctricos, que también se puede ampliar a otras funcionalidades, "dijo el coautor correspondiente Shujun Zhang, profesor de ciencia de los materiales anteriormente en Penn State y ahora en la Universidad de Wollongong en Australia.

La heterogeneidad de la estructura local se refiere a distorsiones estructurales del tamaño de nanoescala dentro de un material huésped creado al dopar una pequeña cantidad de especies químicas, en este caso dopaje de samario en cerámica PMN-PT, como una forma de modificar el panorama energético termodinámico del material, lo que a su vez aumenta las propiedades dieléctricas (la capacidad de un material para responder a un campo electrostático) y el efecto piezoeléctrico.

"Este material es una buena opción para usar en transductores, como los que se utilizan en ecografías médicas, "dijo el autor principal Fei Li, investigador asociado en Penn State. "Ya tenemos dispositivos fabricados con nuestro material por un grupo de la Universidad del Sur de California".

Ese dispositivo, llamado transductor de aguja, utiliza un elemento piezoeléctrico submilimétrico del material de Penn State, insertado en una aguja o catéter estándar, para realizar procedimientos mínimamente invasivos, para obtener imágenes del interior del cuerpo o para guiar una cirugía de precisión dentro del cuerpo. El dispositivo tiene un mejor rendimiento que los dispositivos existentes con las mismas dimensiones, Dijo Li.

Penn State ha presentado una patente provisional sobre el material.