Un nuovo materiale ad alta efficienza trasforma il movimento in energia, senza piombo tossico
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Gli scienziati hanno sviluppato un nuovo materiale che converte il movimento in elettricità (piezoelettricità) con maggiore efficienza e senza l'uso di piombo tossico, aprendo la strada a una nuova generazione di dispositivi che utilizziamo nella vita quotidiana.
Da sinistra, il dottor Benjamin M. Gallant, il dottor Dominik J. Kubicki e il dottor Shrestha Banerjee davanti a uno strumento NMR a stato solido nell'edificio di Scienze Molecolari dell'Università di Birmingham.
University of Birmingham/University of Oxford
Pubblicando la loro scoperta sul Journal of the American Chemical Society di oggi (26 novembre), i ricercatori dell'Università di Birmingham, dell'Università di Oxford e dell'Università di Bristol descrivono un materiale che è allo stesso tempo durevole e sensibile al movimento, aprendo la strada a un'ampia gamma di dispositivi innovativi come sensori, elettronica indossabile e dispositivi autoalimentati.
Basato sullo ioduro di bismuto, un sale inorganico a bassa tossicità, il nuovo materiale morbido e ibrido è in grado di competere con le prestazioni delle ceramiche tradizionali a base di piombo, ma con una minore tossicità e una lavorazione più semplice. Non contiene piombo rispetto alle alternative ad alte prestazioni esistenti, come il PZT (zirconato titanato di piombo), che contiene il 60% di piombo, e può essere prodotto a temperatura ambiente anziché a 1000°C.
I materiali piezoelettrici generano carica elettrica quando vengono premuti o piegati e possono anche deformarsi quando viene applicato un campo elettrico. Sono essenziali per tecnologie che vanno dagli attuatori di precisione - utilizzati in prodotti come l'autofocus delle macchine fotografiche e le pompe delle stampanti a getto d'inchiostro - ai sensori per l'accumulo di energia inseriti in tecnologie indossabili come i fitness tracker, gli indumenti intelligenti e i sistemi airbag delle automobili.
L'autrice principale della ricerca, la dottoressa Esther Hung, del Dipartimento di Fisica dell'Università di Oxford, ha dichiarato: "Mettendo a punto le interazioni tra i componenti organici e inorganici, siamo riusciti a creare una delicata instabilità strutturale che rompe la simmetria nel modo giusto".
"Questa interazione tra ordine e disordine è ciò che conferisce al materiale la sua eccezionale risposta piezoelettrica. È un approccio diverso alla piezoelettricità rispetto ai materiali tradizionali, come il titanato di zirconio di piombo (PZT), ed è questo che ha portato a questi grandi miglioramenti".
Il mercato globale dei materiali piezoelettrici vale oltre 35 miliardi di dollari e continua a crescere rapidamente, spinto dalla domanda nei settori dell'automobile, della sanità, della robotica e dell'elettronica di consumo, dove i dispositivi che convertono il movimento in elettricità o in movimenti precisi sono essenziali.
I ricercatori dell'Università di Birmingham hanno utilizzato la diffrazione di raggi X su singolo cristallo e la risonanza magnetica nucleare (NMR) allo stato solido per comprendere il comportamento del materiale. Hanno scoperto che il modo in cui le parti organiche e inorganiche si uniscono attraverso il legame alogeno può essere utilizzato per modificare i tempi e i modi in cui il materiale cambia la sua struttura, oltre a migliorare le prestazioni piezoelettriche. Questa comprensione potrebbe essere utile anche per migliorare le prestazioni piezoelettriche di altri materiali che combinano elementi organici e inorganici.
Il dottor Benjamin Gallant dell'Università di Birmingham, che ha guidato lo studio NMR, ha dichiarato: "Come ricercatore all'inizio della carriera, è emozionante partecipare a una ricerca che ha il potere di trasformare la nostra società: quasi tutti i dispositivi che usiamo nella vita quotidiana contengono piezoelettrici".
La ricerca è stata supervisionata congiuntamente dal professor Henry Snaith (Oxford), dal dottor Harry Sansom (Bristol) e dal dottor Dominik Kubicki (Birmingham), che hanno riunito le competenze in materia di nuovi materiali, progettazione di cristalli e caratterizzazione della struttura a livello atomico.
Il dottor Dominik Kubicki dell'Università di Birmingham ha dichiarato: "Con prestazioni paragonabili a quelle dei piezoelettrici commerciali, ma realizzata con bismuto non tossico, questa scoperta rappresenta un nuovo percorso verso tecnologie responsabili dal punto di vista ambientale, in grado di alimentare sensori, impianti medici ed elettronica flessibile del futuro."
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