Materiali elettromeccanicamente attivi chiamati antiferroelettrici

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I ricercatori della Rice University hanno individuato una classe di materiali elettromeccanicamente attivi, chiamati antiferroelettrici, che può contenere la chiave per superare le limitazioni prestazionali dovute al bloccaggio nei sistemi elettromeccanici miniaturizzati.

Una classe di materiali elettromeccanicamente attivi chiamati antiferroelettrici può rappresentare la svolta per superare le limitazioni prestazionali dovute al bloccaggio nei sistemi elettromeccanici miniaturizzati. In un nuovo studio, i ricercatori della Rice University presso l’Università della California, Berkeley, negli Stati Uniti, riportano che un sistema antiferroelettrico modello, lo zirconato di piombo (PbZrO3), produce una risposta elettromeccanica fino a cinque volte maggiore di quella dei materiali piezoelettrici convenzionali, anche in pellicole di soli 100 nanometri (o 4 milionesimi di un pollice) di spessore.

Secondo gli attuali standard del settore, un materiale mostra ottime prestazioni elettromeccaniche se può subire un cambiamento dell’1% nella forma – o nella deformazione – in risposta a un campo elettrico. Per un oggetto che misura 100 pollici (254 cm) di lunghezza, per esempio, ottenere 1 pollice in più o in meno rappresenta una deformazione dell’1%.

Quando i materiali piezoelettrici convenzionali vengono ridotti a sistemi di dimensioni inferiori a un micrometro (1.000 nanometri), le loro prestazioni generalmente si deteriorano in modo significativo a causa dell’interferenza del substrato, che riduce la loro capacità di cambiare forma in risposta al campo elettrico o, al contrario, a generare tensione in risposta a un cambiamento di forma.

Per capire in che modo il bloccaggio influisce sul movimento, immagina di essere sul sedile centrale di un aereo senza altri passeggeri su entrambi i lati: saresti libero di regolare la tua posizione se ti senti a disagio, surriscaldato… Ora immagina lo stesso scenario, tranne che ora sei seduto tra due enormi giocatori di football: saresti ‘schiacciato’ tra loro in modo tale da non poter modificare la tua posizione in risposta a uno stimolo“, spiega lo scienziato dei materiali Lane Martin.

I ricercatori volevano capire come i film molto sottili di antiferroelettrici cambiavano forma in risposta alla tensione e se erano ugualmente suscettibili al bloccaggio. E, sorprendentemente, hanno scoperto che non solo il serraggio non interferisce con le prestazioni del materiale, ma le migliora.

Un lungo lavoro di squadra

Insieme ai collaboratori del Lawrence Berkeley National Laboratory e del Dartmouth College, gli scienziati hanno riprodotto il materiale a livello computazionale per ottenere un’altra visione del modo in cui il bloccaggio influisce sull’attuazione sotto la tensione elettrica applicata.

I nostri risultati sono il culmine di anni di lavoro su materiali correlati, compreso lo sviluppo di nuove tecniche per analizzarli – aggiunge Martin. Comprendendo meglio il funzionamento di questi materiali sottili, speriamo di consentire lo sviluppo di dispositivi elettromeccanici più piccoli e più potenti o sistemi microelettromeccanici, MEMS, e persino sistemi nanoelettromeccanici, NEMS, che utilizzano meno energia“.

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