Bahnbrechendes nanoporöses Material zeigt enorme piezoelektrische Reaktion

Kürzlich wurde ein superelastisches nanoporöses Material entwickelt, die Barium-Calcium-Zirkonium-Titanat-Zusammensetzung (Ba0,85Ca0,15)(Ti0,9Zr0,1)O3 (BCZT), die eine außergewöhnliche piezoelektrische Reaktion (d33 ≈7500 pm V-1) aufweist. Dieser Wert ist um eine Größenordnung höher als bei herkömmlichen piezoelektrischen Materialien wie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT).

Das Studieveröffentlicht in Chemische Wissenschaftstellt die erste Untersuchung der Dehnungsabhängigkeit der piezoelektrischen Eigenschaften auf Nanoebene mittels BCZT dar.

Der einfache Syntheseprozess in Verbindung mit seinen außergewöhnlichen piezoelektrischen Fähigkeiten macht nanoporöses BCZT zu einem äußerst vielversprechenden Kandidaten für die Entwicklung umweltfreundlicher dielektrischer Kondensatoren und Generatoren zur Energiegewinnung mit hoher Dichte in der Zukunft.

Piezoelektrische Materialien sind für ihre einzigartige Fähigkeit bekannt, als Reaktion auf mechanische Belastung elektrische Ladung zu erzeugen oder sich in einem elektrischen Feld zu verformen. Sie werden häufig in Sensoren, Wandlern, Unterwassersonaren und kleinen medizinischen Diagnosegeräten eingesetzt. Seit mehr als einem halben Jahrhundert dominieren herkömmliche piezoelektrische Materialien, die hochgiftig und bleihaltig sind, den Markt.

„Unser Ziel war es, bleifreie piezoelektrische Materialien zu entwickeln, die eine vergleichbare oder sogar bessere Leistung als herkömmliche Materialien bieten. Dies ist nicht nur unser Ziel, sondern ein gemeinsames Ziel von Forschern auf der ganzen Welt“, sagte Yukana Terasawa, Assistenzprofessor an der Fakultät für fortgeschrittene Wissenschaft und Technologie der Universität Kumamoto und einer der Hauptautoren dieser Studie.

Eines der bemerkenswertesten Merkmale dieses neuartigen nanoporösen Materials ist seine ultradünne Struktur mit einer Dicke von weniger als 30 nm. Diese Eigenschaft trägt wesentlich zu seiner hohen Piezoelektrizität bei. Die piezoelektrische Ladungskonstante (dij), insbesondere der d33-Wert von BCZT, erreicht beeindruckende 7500 pm V-1.

Dies stellt eine wesentliche Verbesserung gegenüber herkömmlichem bleibasierten PZT dar, das einen d33-Wert von etwa 650 pC V-1 aufweist. Dies unterstreicht das Potenzial von BCZT als überlegene Alternative zu PZT und positioniert es als das erfolgreichste ferroelektrische Material der letzten 50 Jahre.

Zusätzlich zu seinen bemerkenswerten piezoelektrischen Eigenschaften zeichnet sich dieses Material durch einen unkomplizierten Syntheseansatz aus. Herkömmliche Methoden zur Synthese von bleifreiem Bariumtitanat (BaTiO3, BTO) umfassen komplexe Neumischungs-, Neukalzinierungs- oder mehrstufige Herstellungsprozesse.

Im Gegensatz dazu kann BCZT mithilfe einer Softtemplating-Methode synthetisiert werden, einer Sol-Gel-basierten Technik, bei der ein Diblockcopolymer als Porenleitmittel verwendet wird. Dieser innovative Ansatz vereinfacht den Syntheseprozess erheblich und macht ihn zugänglicher und effizienter.

Dieser bahnbrechende Fortschritt ebnet nicht nur den Weg für den Ersatz herkömmlicher piezoelektrischer Materialien durch umweltfreundlichere Alternativen, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten für die Entwicklung und Anwendung ferroelektrischer Geräte zur Energiegewinnung.

Aufgrund ihrer hohen Effizienz bei der Energiegewinnung dürften diese innovativen Geräte in Zukunft zu einer Konkurrenz für traditionelle Energiequellen wie Kohle und Kohlenwasserstoffe werden.