(Phys.org) — Luister naar nikkel-titanium en al je andere legeringen met vormgeheugen, er is een nieuweling in de buurt die zojuist het kampioenschap voor elasticiteit heeft opgeëist en klaar is om de markt voor vormgeheugenapps op nanoschaal over te nemen. Een onderzoeksteam van Berkeley Lab heeft een manier ontdekt om een ​​herstelbare stam in bismutferriet te introduceren tot 14 procent op nanoschaal, groter dan enig vormgeheugeneffect dat in een metaal wordt waargenomen. Deze ontdekking opent de deur naar toepassingen op een groot aantal gebieden, inclusief medische, energie en elektronica.

"Ons bismutferriet vertoonde niet alleen de kampioen vormgeheugenwaarde, het was ook veel stabieler wanneer het werd teruggebracht tot nanometergrootte dan legeringen met vormgeheugen, " zegt Jinxing Zhang, een post-doc voor deze studie onder Ramamoorthy Ramesh van Berkeley Lab's Materials Sciences Division en nu een faculteitslid aan de Beijing Normal University. "Ook omdat ons bismutferriet kan worden geactiveerd met alleen een elektrisch veld in plaats van de thermische velden die nodig zijn om vormgeheugenlegeringen te activeren, de responstijd is veel sneller."

Het vormgeheugeneffect is het metalen equivalent van elasticiteit, waarin een vast materiaal "onthoudt" en zijn oorspronkelijke vorm herstelt na te zijn vervormd door een uitgeoefende spanning. Vroeger, hierbij is altijd sprake geweest van verwarming. Legeringen met vormgeheugen hebben een grote impact gehad op medisch gebied, met als meest prominente nikkel-titanium of "nitinol, " die wordt gebruikt in stents voor angioplastiek, en in mechanische verbindingen. Het vormgeheugeneffect zal naar verwachting ook een grote impact hebben in niet-medische toepassingen, zoals actuatoren in slimme materialen en in micro-elektromechanische systemen (MEMS). Echter, naarmate de grootte van de huidige legeringen met vormgeheugen krimpt in de richting van de nanoschaal, tal van problemen en instabiliteiten ontstaan, inclusief vermoeidheid, microscheurtjes en oxidatie.

"Door het vormgeheugeneffect te bereiken in een oxidemateriaal in plaats van een metaallegering, we elimineren de oppervlakkige problemen en maken integratie met micro-elektronica mogelijk, " zegt Zhang. "Ons bismutferriet vertoont ook een ultrahoge werkfunctiedichtheid tijdens activering die bijna twee ordes van grootte hoger is dan wat een metaallegering kan genereren."

Bismutferriet is een multiferroïsche verbinding die bestaat uit bismut, ijzer en zuurstof dat de afgelopen jaren uitgebreid is bestudeerd door Ramesh en zijn onderzoeksgroep. Als een multiferroïcum, bismutferriet vertoont zowel ferro-elektrische als ferromagnetische eigenschappen, wat betekent dat het zal reageren op de toepassing van externe elektrische of magnetische velden. In deze laatste studie naast de conventionele thermische activering, een elastisch-achtige faseovergang werd geïntroduceerd in bismutferriet met alleen een elektrisch veld.

"Door de toepassing van het elektrische veld konden we een fasetransformatie bereiken die omkeerbaar was zonder de hulp van externe herstelstress, " zegt Ramesh. "Hoewel aspecten als hysterese, micro-cracking enzovoort moeten in aanmerking worden genomen voor echte apparaten, het grote vormgeheugeneffect dat we in bismutferriet hebben aangetoond, laat zien dat het een buitengewoon materiaal is dat mogelijk kan worden gebruikt in toekomstige nano-elektromechanische apparaten en andere geavanceerde nanosystemen."

De resultaten van dit onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .