Cristal piézoélectrique flexible – Technoguide

Une équipe de chercheurs dirigée par l’Université technologique Nanyang de Singapour (NTU Singapour) a développé un nouveau matériau qui, lorsque l’électricité lui est appliquée, peut fléchir et se plier quarante fois plus que ses concurrents, ouvrant la voie à de meilleures micro-machines.

À l’inverse, lorsqu’il est plié, il génère de l’électricité très efficacement et pourrait être utilisé pour une meilleure «récupération d’énergie» – en rechargeant potentiellement les batteries des gadgets uniquement à partir de 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 le 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 était appliqué, le nouveau matériau hybride pouvait être sollicité jusqu’à 22%, la plus forte contrainte signalée dans un matériau piézoélectrique jusqu’à présent. Cela surpasse de loin les matériaux piézoélectriques conventionnels qui ne se déforment que jusqu’à 0,5% lorsqu’un courant le 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, les haut-parleurs, les capteurs et les moteurs électriques. Par exemple, un capteur 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 ont été utilisés pour fabriquer des piézoélectriques pendant plus de 70 ans, car ils sont facilement intégrés dans les appareils électriques.

Cependant, ils sont fragiles et inflexibles, ne pliant que 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 ne conviennent pas non plus aux dispositifs électriques flexibles 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 au NTU par le professeur Fan Hong Jin de l’École des sciences physiques et mathématiques et son équipe, y compris son doctorant M. Hu Yuzhong qui est le premier auteur de cet article. Le professeur Junling Wang de la Southern University of Science and Technology, Chine, ancien professeur NTU à la School of Materials Science and Engineering, fait également partie de l’équipe.

Le professeur Fan a déclaré: “Étant plus de 40 fois plus flexible que les matériaux électrostrictifs similaires, le nouveau matériau ferroélectrique peut être utilisé dans des dispositifs très 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 les appareils mécaniques qui récoltent 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 matériau pourrait jouer un rôle clé dans le développement de dispositifs portables pour l’Internet des objets (IOT), l’un des principaux technologies 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 C6H5N (CH3) 3CdCl3, ou PCCF en bref, qui peut potentiellement se plier jusqu’à cent fois plus que les ferroélectriques traditionnels.

Pour augmenter davantage 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, pour affaiblir les liaisons chimiques à des points spécifiques. dans la structure. Cela a rendu le matériau plus flexible sans affecter ses qualités piézoélectriques.

Le nouveau matériau est facile à fabriquer, ne nécessitant qu’un traitement à base de solution dans lequel le cristal se forme à mesure que 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 était appliqué au nouveau composé PCCF, les atomes qu’il contenait se déplaçaient beaucoup plus que les atomes de la plupart des ferroélectriques conventionnels, sollicitant jusqu’à 22% beaucoup plus que les matériaux piézoélectriques conventionnels.

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