Óxidos metálicos defeituosos como próxima geração de materiais piezelétricos sem chumbo para atuadores ultrassônicos

• Processo: 22/09589-6
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Regular
• Vigência: 01 de setembro de 2023 - 31 de agosto de 2026
• Área do conhecimento: Engenharias - Engenharia de Materiais e Metalúrgica - Materiais Não-metálicos
• Convênio/Acordo: M-ERA.NET
• Pesquisador responsável: Daniel Zanetti de Florio
• Beneficiário: Daniel Zanetti de Florio
• Pesq. responsável no exterior: Vincenzo Esposito
• Instituição no exterior: Technical University of Denmark (DTU), Dinamarca
• Instituição Sede: Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas (CECS). Universidade Federal do ABC (UFABC). Ministério da Educação (Brasil). Santo André , SP, Brasil
• Pesquisadores associados: Andre Santarosa Ferlauto ; Fabio Coral Fonseca ; Marissol Rodrigues Felez
• Assunto(s): Materiais piezoelétricos Cerâmicas
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: atuadores ultrassônicos | electrostriction | Piezelétricos | Cerâmicas

Resumo

Materiais inteligentes eletromecanicamente ativos (piezoelétricos, relaxores e eletrostritores) mudam de tamanho e forma sob estímulos elétricos. Eles possuem aplicações importantes em sensores, atuadores e transdutores e são utilizados desde a obtenção de imagens de ultrassom até em eletrônicos convencionais passando por implantes biomédicos com coleta de energia associada. Essas tecnologias são, portanto, de grande relevância e impacto social. Espera-se que seu uso aumente na próxima década como parte de sistemas biomiméticos com recursos de autodiagnóstico e autorreparo. Apesar das aplicações futuristas estarem à porta, os materiais eletromecânicos de melhor desempenho são uma tecnologia antiga: os piezoelétricos à base de chumbo (Pb), que são altamente tóxicos e representam uma grave ameaça ambiental. Recentemente, uma nova classe de materiais eletroativos, "eletrostritores iônicos não clássicos", à base de CeO2, foi descoberta e está em desenvolvimento. Em artigos recentes publicados nos respeitados "journals": "Science" e "Nature", o coordenador dessa proposta e colegas mostraram que as propriedades eletromecânicas destes materiais são radicalmente diferentes dos materiais piezoelétricos à base de chumbo, com desempenhos possivelmente superiores e estáveis. Regido por um mecanismo atomístico em grande parte inexplorado, a origem dos fenômenos são defeitos iônicos eletrodinâmicos em suas estruturas cristalinas. Os materiais também não são tóxicos, amplamente disponíveis e baratos. No entanto, para transferir esse mecanismo único para uma aplicação prática, a funcionalidade eletromecânica deve ser formalizada e quantificada em altas frequências de operação, especialmente na faixa ultrassônica (kHz-MHz). Este projeto propõe um conceito inovador de ajuste de propriedades eletromecânicas através do de defeitos iônicos, explorando estas propriedades em uma ampla faixa de frequências aplicadas de Hz ao ultrassom (> 20 kHz). Para isso, serão desenvolvidos eletrostritores iônicos dopados baseados compósitos alternativos, à base de céria. Defeitos iônicos em óxidos metálicos têm um alto grau de manipulação via dopagem. Os efeitos sinérgicos podem ser alcançados através da química de defeitos modificada, abrindo uma nova janela para o surgimento de propriedades desconhecidas. Além disso, esta nova classe de materiais pode ser fabricada e moldada com métodos fáceis de processamento cerâmico em vários dispositivos e componentes da macro à nanoescala, além de formas complexas, por exemplo, por meio da impressão 3D.O projeto tem dois critérios principais de sucesso:(1) Científico: modelagem do mecanismo atomístico de configurações de defeitos iônicos em propriedades eletrostritivas para baixas e altas frequências;(2) Tecnológico: Otimização das propriedades eletromecânicas nas frequências de ultrassom para cerâmicas, filmes finos e dispositivos de formas complexas.Como prova de conceito, projetaremos sistemas multi-escala eletromecânicos sem chumbo e potencialmente biocompatíveis e ambientalmente sustentáveis, produzindo alta tensão mecânica e estresse (deformação) na faixa de ultrassom (> 20 kHz). Tal resultado impactaria significativamente a sociedade de pesquisa europeia e mundial por meio de inovação industrial e sustentabilidade ambiental, por exemplo, em imagens ultrassônicas e dispositivos miniaturizados emergentes como, por exemplo, lab-on-chip, lentes de adaptação rápida e manipuladores ultrassônicos. O consórcio reúne conhecimentos acadêmicos e industriais, incluindo química, física, ciência dos materiais, processamento de cerâmica e design de dispositivos. (AU)