Un nuovo metodo per migliorare i materiali ferroelettrici senza piombo utilizzando sollecitazioni meccaniche, anziché processi chimici, promette di rivoluzionare la produzione di componenti elettronici essenziali. Questa scoperta, guidata da ricercatori dell’Università dell’Arkansas e da collaboratori di diverse istituzioni, potrebbe aprire la strada a dispositivi più sicuri e versatili, compresi quelli progettati per l’impianto nel corpo umano.
Il problema del piombo
I materiali ferroelettrici sono fondamentali per un’ampia gamma di applicazioni, tra cui telecamere a infrarossi, ultrasuoni medici, memorie di computer e attuatori. Questi materiali convertono le proprietà elettriche in movimento meccanico e viceversa. Tuttavia, molti ferroelettrici ad alte prestazioni contengono piombo, una sostanza tossica che comporta rischi per l’ambiente e la salute. Per oltre un decennio, gli scienziati di tutto il mondo sono stati alla ricerca di valide alternative senza piombo.
La sfida sta nel mantenere le prestazioni senza sacrificare la sicurezza. I materiali a base di piombo consentono una precisa regolazione chimica per ottimizzare le loro proprietà ai confini di fase – i punti in cui si incontrano diverse strutture cristalline. La manipolazione di questi confini aumenta l’efficacia del materiale. Ma la messa a punto chimica delle alternative senza piombo si è rivelata difficile, poiché molte contengono metalli alcalini volatili che possono evaporare, compromettendone la stabilità.
Un nuovo approccio: deformazione meccanica
Il gruppo di ricerca, guidato da Laurent Bellaiche dell’Università dell’Arkansas, ha scoperto che l’applicazione di sollecitazioni meccaniche – essenzialmente, allungando o comprimendo il materiale – può migliorare notevolmente le prestazioni del niobato di sodio senza piombo (NaNbO3). A differenza della messa a punto chimica, questo metodo evita il problema dei metalli volatili.
Il team ha sviluppato un sottile film di niobato di sodio su un substrato, provocando la contrazione e l’espansione del materiale mentre si adattava alla struttura del substrato. Questo processo creava tensione, forzando gli atomi del materiale in disposizioni diverse. Con sorpresa dei ricercatori, il ceppo ha indotto tre fasi diverse simultaneamente, massimizzando le proprietà utili del materiale creando più confini di fase.
“Ciò che è davvero notevole con il niobato di sodio è che se si cambia leggermente la lunghezza, le fasi cambiano molto”, ha spiegato Bellaiche. La scoperta sfida le aspettative convenzionali; i ricercatori prevedevano una transizione da una fase all’altra, non l’esistenza simultanea di tre.
Perché è importante
Le implicazioni di questa svolta sono significative. I materiali ferroelettrici senza piombo potenziati dalla deformazione potrebbero aprire nuove possibilità per componenti elettronici più piccoli, più efficienti e più sicuri. La capacità di evitare materiali tossici è particolarmente cruciale per i dispositivi destinati all’impianto nell’uomo, come sensori medici e microattuatori.
I materiali ferroelettrici possiedono proprietà uniche che li rendono preziosi in diverse applicazioni:
- Polarizzazione elettrica: Mantengono una carica elettrica inversa anche dopo aver rimosso l’alimentazione, rendendoli ideali per i condensatori.
- Piezoelettricità: Generano elettricità in risposta allo stress meccanico e viceversa, utili in sonar, sensori antincendio e attuatori per stampanti a getto d’inchiostro.
Direzioni future
Gli esperimenti sono stati condotti a temperatura ambiente. Il prossimo passo sarà determinare se il niobato di sodio risponde allo sforzo allo stesso modo a temperature estreme, comprese tra -270°C e 1.000°C. Ciò è fondamentale per espandere l’applicabilità del materiale a una gamma più ampia di ambienti.
La ricerca, pubblicata su Nature Communications, ha coinvolto la collaborazione della North Carolina State University, della Cornell University, della Drexel University, della Stanford University, della Pennsylvania State University, dell’Argonne National Laboratory e dell’Oak Ridge National Laboratory.
Questa svolta rappresenta un passo importante verso un’elettronica più sicura e sostenibile, con il potenziale di trasformare le industrie dalla tecnologia medica ai dispositivi di consumo. Sfruttando la potenza della sollecitazione meccanica, gli scienziati hanno aperto una nuova strada verso materiali ferroelettrici ad alte prestazioni e senza piombo
