Wetenschappers op zoek naar loodvrije materialen voor gebruik in sensoren, actuatoren en ultrasone motoren hebben onlangs hun inspanningen gericht op een type keramiek dat gewoonlijk BCZT wordt genoemd. Nieuw onderzoek door natuurkundigen aan de Universiteit van Arkansas werpt licht op hoe dit materiaal werkt, het verschaffen van inzichten die ertoe kunnen leiden dat ook andere loodvrije materialen worden ontwikkeld.

De zoektocht naar een loodvrij alternatief dat een sterke piëzo-elektrische respons genereert – de omzetting van mechanische energie in elektrische energie, en vice versa – bij kamertemperatuur is, gedeeltelijk, vanwege beperkingen op gevaarlijke stoffen in elektrische en elektronische apparatuur. BCZT, een afkorting van de chemische verbinding bariumcalciumzirkonaattitanaat, heeft belofte getoond, maar tot op heden hebben wetenschappers niet helemaal begrepen waarom.

"In BZT, een loodvrij materiaal, de piëzo-elektrische respons is gemeten als zeer groot, terwijl de microscopische oorsprong van het effect een kwestie van discussie bleef, "Zei U of A-onderzoeksmedewerker Yousra Nahas. "Het werd belangrijk om de oorsprong van het effect te onthullen om de eigenschappen van dit materiaal beter af te stemmen op de technologische uitdagingen."

In een paper gepubliceerd op 20 juni in het tijdschrift Natuurcommunicatie , U of A-onderzoekers Nahas, Alireza Akbarzadeh, Sergei Prosandeev en Raymond Walter, samen met Distinguished Professor in de natuurkunde Laurent Bellaiche, creëerde een atomair model van het BCZT-materiaal om zijn piëzo-elektrische geheimen te ontrafelen. Ze stelden vast dat de piëzo-elektrische respons afkomstig is van een structuur die gemakkelijkere polarisatiefluctuaties mogelijk maakt over een smal temperatuurvenster rond kamertemperatuur.

Naast een beter begrip van hoe BCZT werkt, de bevindingen kunnen de weg wijzen naar het creëren van andere loodvrije piëzo-elektrische stoffen door materialen met gewenste eigenschappen te mengen.