Progressos em materiais de nanocomposição piezoelétrica sem chumbo e dispositivos de nanogeradores relacionados

Os sistemas atuais de dispositivos piezoelétricos precisam de uma redução significativa em tamanho e peso para que módulos eletrônicos de capacidade e funcionalidade crescentes possam ser incorporados em uma grande variedade de aplicações, particularmente em plataformas de dispositivos de energia. A questão central para a maioria das aplicações é se eles podem competir na corrida da miniaturização e em uma fácil integração com propriedades altamente adaptáveis em várias tecnologias de sistema, como sistemas nanoeletromecânicos (NEMS). Os NEMS piezoelétricos têm o potencial de oferecer acesso a um espaço de parâmetros para sensoriamento, atuação e fornecimento de energia, o que é influente e intrigante. Felizmente, os avanços recentes em modelagem, síntese e técnicas de caracterização estão impulsionando desenvolvimentos sem precedentes em um novo campo de nano-materiais e dispositivos piezoelétricos. Embora a necessidade de olhar mais de perto para os nano-materiais piezoelétricos seja impulsionada pela incessante busca pela miniaturização, há uma motivação adicional: os materiais piezoelétricos que demonstram as maiores respostas eletromecânicas atualmente são materiais perovskitas à base de chumbo (Pb) tóxicos (como o ubíquo Pb(Zr,Ti)O3, PZT). Isso é importante, pois há uma forte pressão legal e moral para remover compostos de chumbo tóxicos de produtos comerciais. Até agora, a falta de alternativas viáveis levou a isenções contínuas para permitir seu uso temporário em aplicações piezoelétricas. No entanto, a presente isenção expirará em breve, e a melhoria concomitante de materiais piezoelétricos sem chumbo levou à possibilidade de que nenhuma nova isenção seja concedida. Neste artigo, as abordagens universais e os avanços recentes no campo de nano-materiais piezoelétricos sem chumbo, inicialmente focando em materiais compostos híbridos, bem como em nanopartículas individuais, e dispositivos de captura de energia relacionados são elaborados de forma sistemática. O artigo começa com uma breve introdução às propriedades de interesse em vários nano-materiais piezoelétricos e uma breve descrição do estado da arte atual para materiais nanoestruturados piezoelétricos sem chumbo. Em seguida, descrevemos várias metodologias-chave para a síntese de materiais nanoestruturados, incluindo nanopartículas, seguidas pela discussão detalhada sobre as aplicações críticas e emergentes.