Les chercheurs ont modifié la forme et la taille des cristaux de KNN en nano-taille, particules presque sphériques disposées dans une structure pérovskite, similaire à l'image ci-dessus. Crédit :Niethammer Zoltan/Shutterstock
Une céramique sans plomb qui pourrait être utilisée dans des applications allant des capteurs et commutateurs optiques aux crèmes de protection contre la lumière ultraviolette (UV) a été développée par les chercheurs d'A*STAR.
Les céramiques à base de niobate de potassium et de sodium (KNN) sont des alternatives prometteuses aux céramiques à base de plomb dans les applications électro-optiques. Cependant, il est à la fois difficile et coûteux d'améliorer les performances de KNN en s'assurant qu'il a une densité élevée, à grain fin, microstructure chimiquement uniforme.
Connu sous le nom de PLZT, Le titanate de zirconate de plomb modifié au lanthane est l'une des céramiques électro-optiques les plus largement utilisées. Pourtant, il existe de sérieuses préoccupations écologiques concernant la toxicité pour l'environnement et les organismes vivants une fois que les appareils fabriqués avec celui-ci sont jetés; Le PLZT contient environ 60 % de plomb (en poids). La recherche est en cours pour trouver des remplacements sans plomb pour PLZT.
Santiranjan Shannigrahi, et ses collègues de l'Institute of Materials Research and Engineering et de l'Institute of High Performance Computing d'A*STAR, ont développé une méthode de fabrication d'un matériau céramique à base de KNN qui a le potentiel de remplacer le PLZT.
"Développer un sans plomb, la céramique stable pour des applications pratiques était notre objectif principal, " explique Shannigrahi. " Depuis quelque temps, KNN s'est montré prometteur comme alternative potentielle à PLZT, mais les céramiques à base de KNN souffrent d'un certain nombre de problèmes intrinsèques, tels que la faible densité de grandes, particules en forme de cube qui permettent d'absorber l'humidité, les rendant instables et donc impropres à une utilisation pratique."
Cristaux de KNN après modification et ajout d'ions lanthane. Crédit : A*STAR Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux
Les cristaux de KNN sont modifiés en nano-taille, particules presque sphériques disposées en réseau de pérovskite. Les ions potassium et sodium sont situés aux coins du réseau en forme de cube, des ions oxygène sur les faces, et des ions niobium au centre. Les chercheurs ont alors remplacé une partie des ions niobium par des ions lanthane, changer la taille et la structure du cristal et créer un tout nouveau matériau dont les propriétés magnétiques et optiques peuvent être ajustées lorsqu'elles sont exposées aux UV.
Le nouveau matériau absorbe complètement la lumière UV lorsqu'il est illuminé, se transformant en une couleur bleu foncé. Ceci s'accompagne d'une augmentation significative de l'aimantation. De façon intéressante, il revient à sa couleur et à sa magnétisation d'origine une fois que l'éclairage cesse.
"Ces modifications ont produit une céramique semi-transparente avec des dimensions nanométriques, particules sphériques d'une densité d'environ 98 % du potentiel théorique, " dit Shannigrahi.
Le nouveau matériau pourrait être utilisé dans une gamme d'applications, y compris les capteurs UV impuissants, commutateurs et détecteurs optiques, et pour la protection UV dans les crèmes solaires.
"Notre travail pourrait conduire à une alternative plus respectueuse de l'environnement au PLZT, et nous engageons maintenant des partenaires industriels pour un développement ultérieur, " dit Shannigrahi.
