Un gros plan du nouveau cristal piézoélectrique développé par les scientifiques de NTU, qui peut fléchir jusqu'à 40 fois plus que les cristaux ferroélectriques conventionnels généralement utilisés dans les petits actionneurs et capteurs.
Une équipe de chercheurs dirigée par l'Université technologique de Nanyang, Singapour (NTU Singapour) a développé un nouveau matériau, que lorsqu'on lui applique de l'électricité, peut fléchir et plier quarante fois plus que ses concurrents, ouvrant la voie à de meilleures micro-machines.
Inversement, quand il est plié, il génère de l'électricité très efficacement et pourrait être utilisé pour une meilleure « récupération d'énergie »—rechargeant potentiellement les batteries des gadgets uniquement à partir des mouvements quotidiens.
Le nouveau matériau est à la fois électrostrictif et piézoélectrique. Ses propriétés électrostrictives lui permettent de changer de forme lorsqu'un courant électrique est appliqué, tandis que piézoélectrique signifie que le matériau peut convertir la pression en charges électriques.
Lorsqu'un champ électrique est appliqué, les atomes qui composent les matériaux électrostrictifs se déplacent, provoquant la déformation et la flexion du matériau. Lorsque les piézoélectriques sont comprimés, la pression est convertie en charges électriques qui s'accumulent dans le matériau.
Les scientifiques ont découvert que lorsqu'un champ électrique est appliqué, le nouveau matériau hybride pourrait être tendu jusqu'à 22%, la contrainte la plus élevée signalée dans un matériau piézoélectrique à ce jour. Cela surpasse de loin les matériaux piézoélectriques conventionnels qui ne se déforment que jusqu'à 0,5% lorsqu'un courant les traverse. Le nouveau matériau est également plus économe en énergie que les autres matériaux piézoélectriques et électrostrictifs.
Les matériaux piézoélectriques sont couramment utilisés dans les guitares, haut-parleurs, capteurs et moteurs électriques. Par exemple, un pick-up piézoélectrique est un dispositif utilisé dans une guitare électrique pour convertir les vibrations des cordes en un signal électrique, qui est ensuite traité pour l'enregistrement de musique ou pour être amplifié par des haut-parleurs.
Les cristaux ferroélectriques ont été découverts pour la première fois en 1920 et sont utilisés pour fabriquer des piézoélectriques depuis plus de 70 ans. car ils s'intègrent facilement dans les appareils électriques.
Cependant, ils sont cassants et inflexibles, flexion seulement 0,5%, ce qui limite largement leur application dans les dispositifs électroniques tels que les actionneurs (pièces qui convertissent un signal de commande électrique en mouvement mécanique, par exemple, une vanne qui s'ouvre et se ferme).
Certains ferroélectriques contiennent également du plomb, qui est toxique, et sa présence dans les dispositifs piézoélectriques est l'une des raisons pour lesquelles les déchets électroniques sont difficiles à recycler. Les ferroélectriques traditionnels tels que les oxydes de pérovskite sont également inadaptés aux appareils électriques souples qui sont en contact avec la peau, tels que les dispositifs biomédicaux portables qui suivent la fréquence cardiaque.
Publié dans la revue scientifique Nature Materials le mois dernier, le nouveau matériel a été créé à NTU par le professeur Fan Hong Jin de l'École des sciences physiques et mathématiques et son équipe, y compris son doctorat. l'étudiant M. Hu Yuzhong qui est le premier auteur de cet article. Le professeur Junling Wang de l'Université des sciences et technologies du Sud fait également partie de l'équipe, Chine, un ancien professeur NTU à la School of Materials Science and Engineering.
Le professeur Fan a dit, "Étant plus de 40 fois plus flexible que les matériaux électrostrictifs similaires, le nouveau matériau ferroélectrique peut être utilisé dans des dispositifs hautement efficaces tels que des actionneurs et des capteurs qui fléchissent lorsqu'un champ électrique est appliqué. Avec ses propriétés piézoélectriques supérieures, le matériau peut également être utilisé dans des dispositifs mécaniques qui récupèrent de l'énergie lorsqu'ils sont pliés, ce qui sera utile pour recharger les appareils portables.
« Nous pensons que nous pouvons améliorer considérablement ces performances à l'avenir en optimisant davantage la composition chimique, et nous pensons que ce type de matériel pourrait jouer un rôle clé dans le développement d'appareils portables pour l'Internet des objets (IOT), l'une des technologies clés permettant la 4e révolution industrielle."
Développement d'un matériau ferroélectrique flexible
Pour développer un matériau ferroélectrique flexible, les chercheurs ont modifié la structure chimique d'un composé ferroélectrique hybride C
Pour augmenter encore l'amplitude de mouvement du matériau, les scientifiques ont modifié la composition chimique du composé en remplaçant certains de ses atomes de chlore (Cl) par du brome (Br), qui a une taille similaire au chlore, affaiblir les liaisons chimiques à des points spécifiques de la structure. Cela a rendu le matériau plus flexible sans affecter ses qualités piézoélectriques.
Le nouveau matériau est facile à fabriquer, nécessitant uniquement un traitement à base de solution dans lequel le cristal se forme lorsque le liquide s'évapore, contrairement aux cristaux ferroélectriques typiques qui nécessitent l'utilisation de lasers de haute puissance et d'énergie pour se former.
Lorsqu'un champ électrique a été appliqué au nouveau composé PCCF, les atomes qu'il contient se sont déplacés sensiblement plus que les atomes de la plupart des ferroélectriques conventionnels, sollicitant jusqu'à 22% bien plus que les matériaux piézoélectriques conventionnels.
