Ferroelétrico sem chumbo
Um material essencial para a fabricação de câmeras infravermelhas, ultrassons médicos, memórias de computador e atuadores para robótica finalmente está se tornando mais amigável para nossa saúde e para o meio ambiente.
Os materiais ferroelétricos convertem propriedades elétricas em propriedades mecânicas e vice-versa, mas a maioria desses compostos essenciais contém chumbo e, portanto, pode ser tóxica.
Os átomos em um material ferroelétrico podem ter mais de uma estrutura cristalina. O ponto de encontro entre duas estruturas cristalinas é chamado de limite de fase, e as propriedades que tornam os materiais ferroelétricos úteis são mais acentuadas nesses limites – e é justamente aí que o chumbo cumpre seu importante papel, provendo as melhores propriedades disponíveis.
Tem havido um grande esforço para eliminar o chumbo dos ferroelétricos, envolvendo sobretudo a química. Utilizando processos químicos, os cientistas têm tentado manipular esses limites de fase para criar dispositivos menores e com melhor desempenho, mas ajustar quimicamente os limites de fase dos materiais ferroelétricos sem chumbo tem-se mostrado uma barreira difícil de transpor.
Agora, Reza Ghanbari e colegas da Universidade do Arkansas, nos EUA, venceram essa barreira literalmente na força.
Trocando a química pela força
Ghanbari descobriu uma maneira de aprimorar os materiais ferroelétricos usando tensão, ou força mecânica, em vez de um processo químico. E isso permitiu eliminar o chumbo.
Os pesquisadores criaram uma película fina de niobato de sódio (NaNbO3), um material ferroelétrico que não contém chumbo. Esse material, que tem o adicional muito bem-vindo de ser flexível, possui uma estrutura cristalina complexa no estado fundamental à temperatura ambiente, e uma variação da temperatura consegue produzir nele múltiplas fases, ou diferentes arranjos de átomos.
Em vez de usar um processo químico ou manipulação da temperatura para ajustar o material, os pesquisadores alteraram a estrutura dos átomos no niobato de sódio por meio de tensão mecânica. Para isso, uma fina película do material foi cultivada diretamente sobre um substrato. Como está sendo influenciada pelo substrato abaixo, a estrutura dos átomos do niobato de sódio se contraem e se expandem à medida que tentam se ajustar à estrutura dos átomos do substrato. É esse processo que cria a tensão mecânica.
O resultado é um niobato de sódio com propriedades ferroelétricas otimizadas, adequadas para uso prático.
“O que é bastante notável no niobato de sódio é que, se você alterar o comprimento apenas um pouquinho, as fases mudam bastante,” disse o professor Laurent Bellaiche.
Três fases é melhor do que duas
A descoberta permite produzir componentes ferroelétricos sem chumbo, abrindo novas possibilidades inclusive para dispositivos e sensores que possam ser implantados em humanos.
Os materiais ferroelétricos também são piezoelétricos, o que significa que eles podem gerar eletricidade em resposta à energia mecânica, e vice-versa. Essa propriedade pode ser utilizada em sonares, sensores de incêndio, pequenos alto-falantes em celulares ou atuadores que formam letras com precisão em impressoras jato de tinta. E tudo agora poderá ser feito sem a preocupação com a toxicidade do chumbo.
Melhor ainda, e para surpresa dos pesquisadores, a tensão fez com que o niobato de sódio apresentasse três fases diferentes simultaneamente, o que otimizou fortemente as propriedades ferroelétricas úteis do material ao aumentar os limites de fase. “O que eu esperava, para ser honesto, era que se alterássemos a tensão, ele passaria de uma fase para outra. Mas não para três ao mesmo tempo. Esta foi uma descoberta importante,” disse Bellaiche.
Bibliografia:
Artigo: Strain-induced lead-free morphotropic phase boundary
Autores: Reza Ghanbari, Harikrishnan KP, Kinnary Patel, Hua Zhou, Tao Zhou, Rui Liu, Liyan Wu, Aarushi Khandelwal, Kevin J. Crust, Sankalpa Hazra, John Carroll, Cedric J. G. Meyers, Jiayue Wang, Sergey Prosandeev, Huimin Qiao, Young-Hoon Kim, Yoji Nabei, Miaofang Chi, Dali Sun, Nina Balke, Martin Holt, Venkatraman Gopalan, Jonathan E. Spanier, David A. Muller, Laurent Bellaiche, Harold Y. Hwang, Ruijuan Xu
Revista: Nature Communications
Vol.: 16, Article number: 7766
DOI: 10.1038/s41467-025-63041-w