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 del estado de Penn, China y Australia.
La piezoelectricidad es la propiedad del material en el corazón del ultrasonido médico, el sonar, el control de vibración activa y muchos sensores y actuadores. Un material piezoeléctrico tiene la capacidad de deformarse mecánicamente cuando se aplica un voltaje eléctrico o generar carga eléctrica cuando se aplica una fuerza mecánica.aplicado.
Agregar pequeñas cantidades de un material de tierras raras cuidadosamente seleccionado, samario, a una cerámica piezoeléctrica de alto rendimiento llamada titanato de plomo y niobato de magnesio y plomo PMN-PT aumenta drásticamente su rendimiento piezoeléctrico, informan los investigadores Materiales de la naturaleza esta semana. Esta estrategia de materiales por diseño será útil para diseñar materiales para otras aplicaciones también, según cree el equipo.
"Esta no es la forma típica de desarrollar nuevos materiales", dijo el coautor correspondiente del equipo, Long-Qing Chen, profesor de Ciencias e Ingeniería de Materiales de Donald W. Hamer, profesor de matemáticas y profesor de ciencias de la 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 al comparar las pérdidas dieléctricas medidas con las firmas obtenidas de simulaciones de campo de fase.Después de la detección de dopantes, se centraron en optimizar el proceso y la composición para lograr la piezoelectricidad ultra alta.
"Este trabajo se basa en una 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 la ferroeléctrica, que también puede extenderse aotras funcionalidades ", dijo el autor co-corresponsal Shujun Zhang, profesor de ciencia de 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 de tamaño nanoescalar dentro de un material huésped creado por el dopaje de una pequeña cantidad de especies químicas, en este caso el samario de dopaje en cerámica PMN-PT, como una forma de modificar el paisaje de energía termodinámica del material,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 utilizados en ultrasonido médico", dijo el autor principal Fei Li, investigador asociado en Penn State. "Ya tenemos dispositivos fabricados con nuestro material por un grupo en elUniversidad del Sur de California."
Ese dispositivo, llamado transductor de aguja, utiliza un elemento piezoeléctrico submilimétrico del material de Penn State, instalado en una aguja o catéter estándar, para realizar procedimientos mínimamente invasivos, para obtener imágenes dentro del cuerpo o para guiar una cirugía de precisión dentro del cuerpoEl 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.
Otros autores son Dabin Lin y ChunChun Li, académicos visitantes en el Instituto de Investigación de Materiales de Penn State; Zhuo Xu, profesor de la Universidad Xi'an Jiaotong, China; y los coautores australianos Zibin Chen, Zhenxiang Cheng, Jianli Wang, Qianwei Huangy Xiaozhou Liao. Thomas Shrout, profesor emérito del Instituto de Investigación de Materiales, diseñó el estudio junto con Fei Li, Long-Qing Chen y Shujun Zhang. Materiales de la naturaleza el documento se titula "Piezoelectricidad ultraalta en cerámica ferroeléctrica por diseño"
La Oficina de Investigación Naval Global de EE. UU., El Departamento de Energía de EE. UU., La Fundación Nacional de Ciencia de China y el Consejo de Investigación de Australia apoyaron este trabajo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Estado Penn . Original escrito por Walt Mills. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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