Pesquisadores da Rice University, em colaboração com a Universidade da Califórnia, Berkeley, descobriram uma nova classe de materiais eletromecanicamente ativos que pode superar as limitações dos materiais convencionais em sistemas miniaturizados. A descoberta, publicada na Nature Materials, mostra que o zirconato de chumbo (PbZrO3), um antiferroelétrico, oferece uma resposta eletromecânica até cinco vezes maior que os materiais piezoelétricos tradicionais, mesmo em filmes ultrafinos de 100 nanômetros.
A piezoeletricidade, que permite a conversão entre estresse mecânico e carga elétrica, é essencial para capacitores, atuadores, transdutores e sensores em eletrônicos de próxima geração. No entanto, a integração desses materiais em sistemas miniaturizados enfrenta desafios, pois a performance deles tende a diminuir na escala de submicrômetros devido ao fenômeno de “fixação”.
Segundo Lane Martin, cientista de materiais da Rice e autor do estudo, o desempenho eletromecânico de materiais convencionais cai drasticamente em sistemas menores, de uma escala de 1 a 10 para a faixa de 1 a 4, devido à interferência do substrato. Martin compara essa fixação à sensação de estar preso entre dois jogadores de linha ofensiva em um avião, limitando significativamente os movimentos.
Para investigar se os antiferroelétricos sofrem o mesmo efeito, os pesquisadores cresceram filmes finos de PbZrO3 com controle rigoroso de espessura e qualidade. Os resultados surpreenderam: os filmes finos de antiferroelétricos exibiram respostas muito superiores às dos materiais tradicionais, mesmo sob fixação.
A equipe enfrentou desafios técnicos ao medir essas mudanças em escala nanométrica, mas com um setup de medição aprimorado, conseguiram uma resolução de dois picômetros. Com apoio do MIT, observaram em tempo real a mudança de forma do material usando um microscópio eletrônico de transmissão, revelando que a estrutura cristalina do material se estica de forma reversível com a tensão aplicada, proporcionando a alta resposta eletromecânica.
Além disso, descobriram que a fixação, ao invés de prejudicar, melhora o desempenho do material. Colaboradores do Lawrence Berkeley National Laboratory e do Dartmouth College recriaram o material computacionalmente para estudar o efeito da fixação, confirmando os resultados experimentais.
Essa pesquisa, fruto de anos de trabalho, abre caminho para o desenvolvimento de dispositivos eletromecânicos menores e mais eficientes, como sistemas microeletromecânicos (MEMS) e nanoeletromecânicos (NEMS), que prometem ser mais potentes e consumir menos energia.