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Cientistas criam material ferroelétrico sem chumbo com cristais de perovskita

Pesquisadores da Universidade Penn State, nos Estados Unidos, desenvolveram uma microestrutura única de um material ferroelétrico, permitindo a criação de elementos piezoelétricos sem chumbo, que poderiam ser utilizados na fabricação de equipamentos eletrônicos da próxima geração.

Segundo os cientistas, esses materiais produzidos com ausência de chumbo são mais seguros e fáceis de manusear, podendo ser aplicados também no desenvolvimento de sensores inteligentes e de sistemas de armazenamento de energia mais sustentáveis.

“Ferroelétricos são uma classe de materiais que demonstram uma polarização elétrica espontânea quando uma carga externa é aplicada. Esses materiais também possuem propriedades piezoelétricas, o que significa que eles geram eletricidade quando uma força mecânica é aplicada”, explicou o professor de engenharia de materiais e coautor do estudo Nasim Alem, em um artigo publicado na Nature Communications.

Livre de chumbo

Para desenvolver um material ferroelétrico seguro, livre de chumbo e com fortes propriedades piezoelétricas, os pesquisadores utilizaram um elemento químico conhecido como manganato de cálcio, combinado com movimentos atômicos dos octaedros de oxigênio presentes nas camadas de perovskita.

Estrutura cristalina do material ferroelétrico livre de chumbo (Imagem: Reprodução/Nature Communications)
Estrutura cristalina do material ferroelétrico livre de chumbo (Imagem: Reprodução/Nature Communications)

Esses octaedros podem inclinar e girar, permitindo a produção de ferroeletricidade para gerar a polarização necessária. Esse sistema energético experimental é considerado um ferroelétrico “impróprio” porque a polarização atingida é gerada como um efeito secundário.

“Ao monitorarmos o que acontecia durante essa fase de transição, descobrimos distorções estruturais que podiam mudar em função da temperatura. É sabido que normalmente um material se expande quando aquecido, mas este encolhe, permitindo a criação de elementos piezoelétricos poderosos e sem chumbo”, acrescentou Alem.

EASY-STEM

Com o desenvolvimento de um software gratuito batizado de EASY-STEM, foi possível processar mais facilmente as imagens obtidas por meio de um microscópio eletrônico de transmissão, encurtando o tempo necessário para o amadurecimento dos novos materiais ferroelétricos livres de chumbo.

Imagem do material ferroelétrico obtida em um microscópio eletrônico de transmissão (Imagem: Reprodução/Nature Communications)
Imagem do material ferroelétrico obtida em um microscópio eletrônico de transmissão (Imagem: Reprodução/Nature Communications)

Esse programa de computador permitiu observar também a existência de nanorregiões polares, fundamentais para a fabricação de cristais piezoelétricos mais fortes, capazes de substituir materiais contendo chumbo em aplicações ultrassônicas ou em atuadores eletrônicos.

“Nosso software tem uma interface gráfica simples, permitindo que usuários comuns possam inserir dados usando um mouse. Com isso, as pessoas não precisam ser especialistas em codificação para produzir análises incríveis, facilitando a transição da fase de laboratório para o mundo real”, disse o doutorando em ciências dos materiais e autor principal do estudo Leixin Miao à Nature Communications.

Fonte: Canaltech

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