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Pesquisadores desenvolveram uma nova técnica que permite a restauração de materiais piezoelétricos usados em tecnologias de ultrassom e sonar em temperatura ambiente, simplificando reparos e permitindo uso contínuo sem a necessidade de desmontagem. Este método não apenas aumenta a durabilidade e a eficiência desses dispositivos, mas também abre possibilidades para avanços na tecnologia de ultrassom. Crédito: SciTechDaily.com
Uma nova técnica desenvolvida por pesquisadores permite a restauração de propriedades cruciais em materiais piezoelétricos em temperatura ambiente, agilizando reparos e estendendo a vida útil de dispositivos de ultrassom e sonar.
Calor e pressão podem degradar as propriedades de materiais piezoelétricos essenciais para tecnologias avançadas de ultrassom e sonar. Tradicionalmente, reparar esse dano envolve desmontar os dispositivos e expor os materiais a temperaturas ainda mais altas. Agora, pesquisadores desenvolveram uma técnica para restaurar essas propriedades em temperatura ambiente, simplificando o processo de reparo e abrindo caminho para novas tecnologias de ultrassom.
Materiais piezoelétricos têm muitas aplicações, incluindo tecnologias de sonar e dispositivos que geram e detectam ondas de ultrassom. Mas para que esses dispositivos gerem ondas de sonar ou ultrassom de forma eficiente, o material precisa ser “polarizado”.
Isso ocorre porque os materiais piezoelétricos usados para aplicações de sonar e ultrassom são, em sua maioria, ferroelétricos. E, como todos os materiais ferroelétricos, eles exibem um fenômeno chamado polarização espontânea. Isso significa que eles contêm pares de íons carregados positiva e negativamente, chamados dipolos. Quando um material ferroelétrico é polarizado, isso significa que todos os seus dipolos foram puxados para o alinhamento com um campo elétrico externo. Em outras palavras, os dipolos são todos orientados na mesma direção, o que torna suas propriedades piezoelétricas mais pronunciadas.
Desafios na manutenção do alinhamento do material
“Se esses dipolos não estiverem alinhados, será difícil gerar ondas ultrassônicas direcionadas com a amplitude necessária para que sejam práticas”, diz Xiaoning Jiang, autor correspondente de um artigo sobre o trabalho e professor distinto de Engenharia Mecânica e Aeroespacial do reitor F. Duncan. Universidade Estadual da Carolina do Norte.
“Preservar o alinhamento de materiais piezoelétricos-ferroelétricos apresenta alguns desafios significativos, porque os dipolos podem começar a perder seu alinhamento quando expostos a temperaturas elevadas ou altas pressões”, diz Jiang.
“Este também é um problema de fabricação, porque limita quais outros materiais e processos você pode usar ao fazer dispositivos de ultrassom”, diz Jiang. “E porque as temperaturas elevadas nem são tão altas assim – você pode ver problemas de alinhamento tão baixos quanto 70 graus Celsius – até mesmo o transporte ou armazenamento dessas tecnologias pode, às vezes, afetar negativamente o posicionamento e a eficiência dos dispositivos.
“Além disso, o uso prolongado de algumas tecnologias pode fazer com que o próprio dispositivo gere calor, o que corre o risco de despolarizar o material piezoelétrico-ferroelétrico.”
E uma vez que os dipolos no material saíram do alinhamento, colocá-los de volta no alinhamento não é fácil. O material piezoelétrico-ferroelétrico precisa ser removido do dispositivo e exposto a altas temperaturas – 300 graus Celsius ou mais – para despolarizar completamente o material antes de “repolarizá-lo” e puxar os dipolos de volta ao alinhamento.
“É importante reutilizar esses materiais piezoelétricos-ferroelétricos porque eles geralmente são caros – você não quer simplesmente jogá-los fora”, diz Jiang. “Mas frequentemente o material é recuperado e o resto do dispositivo de ultrassom é descartado.
“Desenvolvemos uma técnica que nos permite despolarizar e repolarizar materiais piezoelétricos-ferroelétricos em temperatura ambiente. Isso significa que podemos puxar os dipolos de volta ao alinhamento sem remover o material do dispositivo – e isso pode ser feito repetidamente, conforme necessário.”
Compreendendo a nova técnica
Para entender a nova técnica, você precisa entender que há duas maneiras de puxar os dipolos em um material piezoelétrico-ferroelétrico para alinhamento. A técnica mais amplamente usada envolve aplicar um campo elétrico de corrente contínua (CC) ao material, que puxa todos os dipolos na mesma direção.
“Essa maneira funciona bem para criar alinhamento, mas é virtualmente impossível despolarizar o material usando apenas um campo DC”, disse Jiang.
A outra técnica envolve a aplicação de um campo elétrico de corrente alternada (CA) ao material, o que faz com que os dipolos oscilem em resposta às ondas no campo, até que o campo seja removido, momento em que os dipolos se encaixam no lugar, alinhados.
“Descobrimos que também podemos despolarizar o material usando um campo CA, mesmo em temperatura ambiente. Se o material foi originalmente polarizado usando um campo CC, poderíamos remover grande parte do polarização com um campo CA – mas não tudo”, disse Jiang. “No entanto, se o material foi originalmente polarizado com um campo CA, descobrimos que também poderíamos despolarizar completamente o material usando um campo CA.”
A descoberta tem pelo menos duas ramificações significativas para as tecnologias de ultrassom.
“Se pudermos polarizar materiais piezoelétricos-ferroelétricos em temperatura ambiente, isso significa que podemos alterar os outros materiais e processos de fabricação que usamos ao criar dispositivos de ultrassom para otimizar seu desempenho”, diz Jiang. “Não estamos mais limitados a materiais e processos que não afetarão a polarização nos componentes piezoelétricos-ferroelétricos, porque podemos polarizar o material usando um campo CA após o dispositivo ter sido montado.
“Além disso, isso significa que podemos facilmente replicar os materiais em dispositivos existentes, o que esperançosamente nos dará uma longa vida útil de desempenho máximo para essas tecnologias.”
Referência: “Despolarização elétrica e repolarização de cristais piezoelétricos relaxor-PbTiO3 sem tratamento térmico” por Hwang-Pill Kim, Mao-Hua Zhang, Bo Wang, Huaiyu Wu, Zhengze Xu, Sipan Liu, Sunho Moon, Yohachi Yamashita, Jong Eun Ryu, Jun Liu, Shujun Zhang, Long-Qing Chen e Xiaoning Jiang, 30 de julho de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-50847-3
Este trabalho foi realizado com o apoio do Escritório de Pesquisa Naval, sob a concessão N00014-21-1-2058; da National Science Foundation, sob as concessões 2011978, 2309184 e 2133373; e do Laboratório Nacional Lawrence Livermore do Departamento de Energia dos EUA sob o contrato DE-AC52-07NA27344.