Une équipe de chercheurs de l'Université de Pennsylvanie acquiert de nouvelles connaissances sur les matériaux intelligents utilisés dans la technologie des ultrasons. Tout en formant le modèle le plus complet à ce jour du fonctionnement de ces matériaux, ils ont trouvé des similitudes frappantes avec le comportement de l'eau.

La recherche, Publié dans La nature , était dirigé par Andrew M. Rappe, le professeur Blanchard de chimie à l'École des arts et des sciences et un professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'École d'ingénierie et des sciences appliquées, et postdoctoral Hiroyuki Takenaka au Département de chimie. Penn Research Specialist Ilya Grinberg et l'ancien élève Shi Liu ont également contribué à l'étude.

Les chercheurs de ce groupe s'intéressent à la façon dont les matériaux interagissent avec, exploiter et convertir l'énergie sous différentes formes. Dans cette étude, ils étudiaient le comportement d'un matériau intelligent appelé piézoélectricité, qui est l'échange d'énergie mécanique avec l'énergie électrique.

En piézoélectricité, l'application d'un champ électrique à un matériau réoriente les dipôles à l'intérieur de celui-ci ; c'est la clé de la fonctionnalité du matériau.

"Vous pouvez imaginer qu'il y a une cage d'atomes d'oxygène, " Rappé a dit, "et il y a un ion positif au milieu. S'il se trouve au milieu de la cage, alors il n'y a pas de dipôle, mais s'il se décentre, il y a un dipôle. Le réarrangement de ces dipôles est ce qui conduit à ces propriétés matérielles intelligentes."

Lorsque les ions positifs se déplacent vers le centre, les cages d'ions qui les entourent rétrécissent ou s'allongent de façon concertée, provoquant le changement de forme du matériau.

Dans les appareils à ultrasons, fournir une tension fait changer la forme du matériau, ou vibrer, et ces vibrations pénètrent dans le corps humain et résonnent autour. Les matériaux piézoélectriques sont également utilisés dans les sonars pour permettre aux instruments de voir sous l'eau.

Récemment, un ensemble de matériaux a été découvert qui, selon les scientifiques, offre des performances piézoélectriques supérieures aux précédentes. Mais à un niveau fondamental, Rappé a dit, les gens ne comprenaient pas pourquoi ces matériaux fonctionnaient aussi bien.

"Si vous ne savez pas pourquoi ça marche, comment pourriez-vous procéder à une ingénierie inverse et passer au niveau suivant ?", a-t-il déclaré.

Les chercheurs utilisent souvent la théorie et la modélisation pour étudier les matériaux intelligents. Ils ont une idée de la façon dont ils pensent qu'un système fonctionne et peuvent décrire ce que fait un matériau réel en résolvant certaines équations.

"Une chose que nous faisons souvent est de résoudre les équations de la mécanique quantique parce que la mécanique quantique est connue pour être un modèle précis du comportement des électrons, " a déclaré Rappe. "Les électrons sont la colle qui maintient les noyaux ensemble. Si vous savez comment ils se comportent, alors vous savez ce qui détermine quand les liens se brisent et se forment et ainsi de suite."

Mais un développement passionnant, il a dit, est la capacité d'aller au-delà de ce que les chercheurs peuvent se permettre en mécanique quantique et de construire des modèles mécaniques pour leur donner une manière plus approximative de traiter les liaisons dans un solide tout en leur permettant également de modéliser des températures finies, de plus grandes quantités de matière et pour des périodes plus longues.

"Cela nous permet d'observer des comportements qui mettent du temps à se produire ou qui ne se produisent qu'au plus profond d'un matériau, et cela nous donne des perspectives uniques sur les comportements compliqués, ", a déclaré Rappé.

Alors que d'autres expériences ont sondé ce matériau et que certains modèles théoriques en ont révélé certains aspects, les chercheurs de Penn ont maintenant fourni le modèle le plus complet à ce jour sur le fonctionnement de ce matériau.

Précédemment, les scientifiques pensaient qu'à des températures plus élevées, c'est "chaque dipôle pour lui-même, " leur permettant de répondre facilement aux stimuli externes tels que les champs électriques.

Au fur et à mesure que le matériau refroidit, les dipôles se regroupent en groupes appelés nanorégions polaires. Au fur et à mesure que ces régions s'agrandissent, ils deviennent lents et il leur devient de plus en plus difficile de répondre.

Dans ce nouveau papier, les chercheurs ont montré que, alors qu'à des températures plus élevées, les dipôles flottent en fait librement lorsque la température se refroidit et que les dipôles se trouvent et forment ces nanorégions polaires, les régions ne s'agrandissent pas réellement, mais deviennent simplement plus complètement alignées.

Cela conduit à la naissance de parois de domaine au sein du matériau séparant des plaques d'alignement différent. Ce sont ces murs de domaine entre les régions dipolaires qui conduisent à des propriétés piézoélectriques améliorées dans le matériau.

Cela fait écho à un comportement similaire dans l'eau, dans lequel plus la température est basse, plus les dipôles deviennent corrélés, mais la corrélation ne tient pas à de plus grandes distances.

"Ils ne sont jamais parfaitement alignés, " a déclaré Rappe. " Les dipôles d'eau à proximité peuvent s'aligner de plus en plus, mais à cause de la liaison hydrogène, il existe une taille intrinsèque au-delà de laquelle il ne se développe pas. »

Les matériaux piézoélectriques sont un élément important dans les transducteurs, actionneurs et capteurs utilisés dans de nombreuses industries. Le manque de compréhension de leur fonctionnement a ralenti l'amélioration des matériaux de meilleure qualité. Cet article fournit une nouvelle compréhension de leur fonctionnement et révèle des similitudes avec le comportement de l'eau.

Une compréhension plus complète de la raison pour laquelle ces matériaux se comportent comme ils le font peut débloquer la conception de nouveaux matériaux, conduisant à des piézoélectriques de meilleure qualité qui pourraient révolutionner les applications de matériaux intelligents.

"C'est passionnant de pouvoir construire un modèle à partir d'électrons individuels jusqu'à des millions d'atomes à température finie et d'observer des propriétés complexes, " Rappé a dit, "Et il est passionnant que l'observation de ces propriétés complexes nous donne de nouvelles directions productives où nous pouvons améliorer les matériaux qui convertiront plus efficacement l'énergie pour des appareils utiles pour aider les gens."