Baanbrekend nanoporeus materiaal vertoont een gigantische piëzo-elektrische respons

Onlangs is een super-strain nanoporeus materiaal, bariumcalciumzirkoniumtitanaatsamenstelling (Ba_0,85Ca_0,15)(Ti_0,9Zr_0,1)O₃ (BCZT) is gecreëerd, die een buitengewone piëzo-elektrische respons vertoont (d33 ≈7500 pm V^-1). Deze waarde vertegenwoordigt een orde van grootte groter dan de traditionele piëzo-elektrische materialen zoals loodzirkonaattitanaat (PZT).

Dit studiegepubliceerd in Chemische Wetenschapmarkeert het eerste onderzoek naar de spanningsafhankelijkheid van de piëzo-elektrische eigenschappen op nanoniveau met behulp van BCZT.

Het eenvoudige syntheseproces in combinatie met zijn uitzonderlijke piëzo-elektrische mogelijkheden zorgt ervoor dat nanoporeuze BCZT een veelbelovende kandidaat is voor de ontwikkeling van milieuvriendelijke diëlektrische condensatoren en generatoren voor het oogsten van energie met hoge dichtheid in de toekomst.

Piëzo-elektrische materialen, bekend om hun unieke vermogen om elektrische lading te genereren als reactie op mechanische spanning of om te vervormen onder een elektrisch veld, worden veel gebruikt in sensoren, transducers, onderzeese sonar en kleine medische diagnostische apparaten. Al meer dan een halve eeuw zijn conventionele piëzo-elektrische materialen, die zeer giftig zijn en op lood gebaseerd zijn, commercieel dominant.

“We wilden loodvrije piëzo-elektrische materialen uitvinden die vergelijkbare of zelfs betere prestaties leveren dan conventionele materialen. Dit is niet alleen ons doel, maar een gemeenschappelijk doel voor onderzoekers wereldwijd”, aldus Yukana Terasawa, assistent-professor van de faculteit Geavanceerde Wetenschap en Technologie aan de Kumamoto-universiteit, een van de belangrijkste auteurs van deze studie.

Een van de meest opmerkelijke kenmerken van dit nieuwe nanoporeuze materiaal is de ultradunne structuur, met een dikte van minder dan 30 nm. Deze eigenschap draagt ​​aanzienlijk bij aan de hoge piëzo-elektriciteit. De piëzo-elektrische ladingsconstante (dij), specifiek de d33-waarde van BCZT, bereikt een indrukwekkende 7500 pm V^-1.

Dit is een aanzienlijke verbetering vergeleken met conventionele, op lood gebaseerde PZT, die een d33-waarde heeft van ongeveer 650 pC V^-1. Dit onderstreept het potentieel van BCZT als superieur alternatief voor PZT en positioneert het als het meest succesvolle ferro-elektrische materiaal van de afgelopen 50 jaar.

Naast de opmerkelijke piëzo-elektrische eigenschappen beschikt dit materiaal over een eenvoudige synthesebenadering. Traditionele methoden voor het synthetiseren van loodvrij bariumtitanaat (BaTiO₃BTO) omvatten complexe remix-, hercalcinatie- of meerstapsbereidingsprocessen.

BCZT kan daarentegen worden gesynthetiseerd met behulp van een soft-templating-methode, een op sol-gel gebaseerde techniek die gebruik maakt van een diblokcopolymeer als poriënrichtmiddel. Deze innovatieve aanpak vereenvoudigt het syntheseproces aanzienlijk, waardoor het toegankelijker en efficiënter wordt.

Deze baanbrekende vooruitgang maakt niet alleen de weg vrij voor het vervangen van conventionele piëzo-elektrische materialen door milieuvriendelijkere alternatieven, maar opent ook nieuwe mogelijkheden voor het ontwikkelen en toepassen van ferro-elektrische apparaten bij het oogsten van energie.

Dankzij hun hoge efficiëntie bij het opwekken van energie, wordt verwacht dat deze innovatieve apparaten in de toekomst kunnen concurreren met traditionele energiebronnen zoals steenkool en koolwaterstoffen.