Um novo método para melhorar materiais ferroelétricos sem chumbo utilizando deformação mecânica, em vez de processos químicos, promete revolucionar a produção de componentes eletrônicos essenciais. Esta descoberta, liderada por investigadores da Universidade do Arkansas e colaboradores de várias instituições, poderá abrir caminho para dispositivos mais seguros e versáteis, incluindo aqueles concebidos para implantação no corpo humano.
O problema com o chumbo
Os materiais ferroelétricos são essenciais para uma ampla gama de aplicações, incluindo câmeras infravermelhas, ultrassom médico, memória de computador e atuadores. Esses materiais convertem propriedades elétricas em movimento mecânico e vice-versa. No entanto, muitos ferroelétricos de alto desempenho contêm chumbo, uma substância tóxica que representa riscos ambientais e de saúde. Por mais de uma década, cientistas de todo o mundo têm procurado alternativas viáveis sem chumbo.
O desafio reside em manter o desempenho sem sacrificar a segurança. Os materiais à base de chumbo permitem um ajuste químico preciso para otimizar suas propriedades nos limites de fase – os pontos onde diferentes estruturas cristalinas se encontram. A manipulação desses limites aumenta a eficácia do material. Mas o ajuste químico de alternativas sem chumbo tem se mostrado difícil, pois muitas contêm metais alcalinos voláteis que podem evaporar, comprometendo a estabilidade.
Uma nova abordagem: tensão mecânica
A equipe de pesquisa, liderada por Laurent Bellaiche, da Universidade de Arkansas, descobriu que a aplicação de tensão mecânica – essencialmente, esticar ou comprimir o material – pode melhorar drasticamente o desempenho do niobato de sódio sem chumbo (NaNbO3). Ao contrário do ajuste químico, este método evita a emissão de metais voláteis.
A equipe desenvolveu uma fina película de niobato de sódio em um substrato, fazendo com que o material se contraísse e se expandisse à medida que se adaptava à estrutura do substrato. Este processo criou tensão, forçando os átomos do material a se organizarem de forma diferente. Para surpresa dos pesquisadores, a deformação induziu três fases diferentes simultaneamente, maximizando as propriedades úteis do material ao criar mais limites de fase.
“O que é notável com o niobato de sódio é que se você mudar um pouco o comprimento, as fases mudam muito”, explicou Bellaiche. A descoberta desafia as expectativas convencionais; os pesquisadores previram uma transição de uma fase para outra, e não a existência simultânea de três.
Por que isso é importante
As implicações deste avanço são significativas. Ferroelétricos sem chumbo aprimorados por deformação poderiam abrir novas possibilidades para componentes eletrônicos menores, mais eficientes e mais seguros. A capacidade de evitar materiais tóxicos é particularmente crucial para dispositivos destinados à implantação em humanos, como sensores médicos e microatuadores.
Os materiais ferroelétricos possuem propriedades únicas que os tornam valiosos em diversas aplicações:
- Polarização Elétrica: Eles mantêm uma carga elétrica invertida mesmo depois que a energia é removida, tornando-os ideais para capacitores.
- Piezoeletricidade: Eles geram eletricidade em resposta ao estresse mecânico e vice-versa, útil em sonares, sensores de incêndio e atuadores de impressoras jato de tinta.
Direções Futuras
Os experimentos foram conduzidos à temperatura ambiente. O próximo passo será determinar se o niobato de sódio responde à deformação da mesma forma em temperaturas extremas, variando de -270°C a 1.000°C. Isto é crucial para expandir a aplicabilidade do material a uma gama mais ampla de ambientes.
A pesquisa, publicada na Nature Communications, envolveu a colaboração da North Carolina State University, da Cornell University, da Drexel University, da Stanford University, da Pennsylvania State University, do Argonne National Laboratory e do Oak Ridge National Laboratory.
Este avanço representa um grande passo em direcção a uma electrónica mais segura e sustentável, com potencial para transformar indústrias de tecnologia médica em dispositivos de consumo. Ao aproveitar o poder da tensão mecânica, os cientistas abriram um novo caminho para ferroelétricos de alto desempenho e sem chumbo
