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Rompere le simmetrie dei cristalli alla ricerca della piezoelettricità

Alcuni ricercatori finanziati dall’UE hanno scoperto un nuovo modo per indurre l’effetto piezoelettrico nei materiali generalmente non ritenuti tali, aprendo la strada all’uso di materiali più ecocompatibili nei dispositivi elettromeccanici del futuro.

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La piezoelettricità è molto più semplice di quanto sembri. Si tratta infatti dell’utilizzo di cristalli per convertire l’energia meccanica in energia elettrica, o viceversa. Questo processo si riscontra in molti dispositivi di uso quotidiano, dagli orologi al quarzo ai grammofoni, dai microfoni agli altoparlanti. Sebbene il concetto di piezoelettricità sia semplice, trovare materiali piezoelettrici su cui applicare tale processo rappresenta un grande ostacolo da oltre un secolo. Oggi i ricercatori sostenuti dai progetti BioWings ed ESTEEM3, finanziati dall’UE, hanno scoperto un modo per produrre una risposta piezoelettrica in materiali generalmente non considerati tali. I risultati, pubblicati sulla rivista «Science», potrebbero aprire la strada a un’ampia serie di materiali elettromeccanici ecocompatibili e biocompatibili. I materiali piezoelettrici hanno un prerequisito fondamentale: la loro struttura cristallina non deve avere un centro di simmetria. Esercitando pressione su una struttura cristallina non centrosimmetrica, questa si deforma e gli atomi che la compongono vengono spostati, permettendo al cristallo di condurre una corrente elettrica. Per questo motivo i materiali piezoelettrici rappresentano una soluzione interessante per molte applicazioni di rilevamento tramite sensori. Il materiale piezoelettrico più noto è il cristallo di quarzo, presente in natura, ma per i microsistemi elettromeccanici (MEMS, Microelectromechanical Systems) è necessario impiegare altri materiali, che spesso contengono piombo nocivo sotto forma di zircotitanato di piombo. La ricerca si concentra sullo sviluppo di nuovi MEMS biomedici sotto forma di pellicole sottili senza piombo a base di materiali composti da ossido drogato al gadolinio. «Esistono già molti microsistemi elettromeccanici, ma spesso al loro interno vi sono materiali contenenti piombo, nocivi se impiantati in esseri umani. Il progetto BioWings intende sviluppare materiali biocompatibili senza piombo né materiali dannosi, con proprietà simili a quelle dei materiali comuni contenenti piombo», osserva in un comunicato stampa su «EurekAlert!» il co-autore dello studio, il prof. Nini Pryds del Politecnico di Danimarca, ateneo coordinatore del progetto BioWings.

La piezoelettricità in materiali centrosimmetrici

Lo studio descrive come i ricercatori siano riusciti a provocare un effetto piezoelettrico di grande entità e sostenibile in cristalli centrosimmetrici, ovvero materiali che generalmente non permettono tale risposta. Gli scienziati hanno generato piezoelettricità attraverso l’applicazione simultanea di corrente alternata e diretta, che ha provocato un riposizionamento dei difetti dell’ossigeno nel materiale e quindi una polarizzazione. Quest’ultima ha rotto la simmetria cristallina del materiale, generando l’effetto piezoelettrico desiderato. Dimostrando l’effettiva possibilità di indurre un effetto piezoelettrico in materiali che generalmente non lo sono, il gruppo di ricerca sta gettando le fondamenta per la progettazione di materiali piezoelettrici non tossici e senza piombo. «Questi nuovi sviluppi saranno un passo fondamentale per creare materiali piezoelettrici ecocompatibili ad alte prestazioni, utilizzabili, ad esempio, nella tecnologia automobilistica e in applicazioni mediche», prosegue il prof. Pryds. Allo stato attuale i materiali piezoelettrici devono avere una struttura non centrosimmetrica, un requisito che limita notevolmente il numero di materiali impiegabili nei dispositivi moderni. Secondo il prof. Pryds, i risultati di questa ricerca offrono «un cambio di paradigma verso la generazione di piezoelettricità in cristalli centrosimmetrici e quindi verso un ampliamento della gamma di materiali utilizzabili». Il ricercatore conclude: «Mi attendo che questi risultati abbiano importanti ripercussioni sulla progettazione di nuovi dispositivi elettromeccanici a base di nuovi materiali biocompatibili». Il progetto BioWings (Bio-compatible electrostrictive smart materials for future generation of medical micro-electro-mechanical systems) terminerà a maggio 2022, mentre ESTEEM3 (Enabling Science and Technology through European Electron Microscopy) si concluderà a giugno 2023. Per maggiori informazioni, consultare: sito web del progetto BioWings sito web del progetto ESTEEM3

Parole chiave

BioWings, ESTEEM3, piezoelettricità, piezoelettrico, gadolinio, centrosimmetrico, cristallo, piombo