Att tända en gasgrill, få ett ultraljud, använda en ultraljudstandborste – dessa åtgärder involverar användning av material som kan översätta en elektrisk spänning till en förändring i form och vice versa.

Känd som piezoelektricitet, kan förmågan att handla mellan mekanisk stress och elektrisk laddning utnyttjas brett i kondensatorer, ställdon, givare och sensorer som accelerometrar och gyroskop för nästa generations elektronik. Det har dock varit svårt att integrera dessa material i miniatyriserade system på grund av tendensen hos elektromekaniskt aktiva material att – i submikrometerskala, när tjockleken bara är några miljondelar av en tum – bli "klämda" av materialet de är fästa vid , vilket drar ner deras prestanda avsevärt.

Forskare från Rice University och medarbetare vid University of California, Berkeley har funnit att en klass av elektromekaniskt aktiva material som kallas antiferroelektriska ämnen kan vara nyckeln till att övervinna prestandabegränsningar på grund av fastspänning i miniatyriserade elektromekaniska system.

En ny studie publicerad i Nature Materials rapporterar att ett antiferroelektriskt modellsystem, blyzirkonat (PbZrO₃ ), producerar en elektromekanisk respons som kan vara upp till fem gånger större än den för konventionella piezoelektriska material även i filmer som bara är 100 nanometer (eller 4 miljondelar av en tum) tjocka.

"Vi har använt piezoelektriska material i årtionden", säger Rice materialforskaren Lane Martin, som är motsvarande författare på studien. "Nyligen har det funnits en stark motivation att ytterligare integrera dessa material i nya typer av enheter som är mycket små – som du skulle vilja göra för, säg, ett mikrochip som går inuti din telefon eller dator. Problemet är att dessa material är vanligtvis bara mindre användbar i dessa små skalor."

Enligt nuvarande industristandarder anses ett material ha mycket god elektromekanisk prestanda om det kan genomgå en 1% förändring i form – eller töjning – som svar på ett elektriskt fält. För ett objekt som mäter 100 tum i längd, till exempel, representerar det 1 % töjning att bli 1 tum längre eller kortare.

"Ur ett materialvetenskapligt perspektiv är detta ett betydande svar, eftersom de flesta hårda material bara kan förändras med en bråkdel av en procent", säger Martin, professor i Robert A. Welch, professor i materialvetenskap och nanoteknik och chef för Rice Advanced Materialinstitutet.

När konventionella piezoelektriska material skalas ner till system som är mindre än en mikrometer (1 000 nanometer) i storlek, försämras deras prestanda i allmänhet avsevärt på grund av interferensen från substratet, vilket dämpar deras förmåga att ändra form som svar på elektriskt fält eller, omvänt, generera spänning som svar på en förändring i form.

Enligt Martin, om den elektromekaniska prestandan bedömdes på en skala från 1-10 – där 1 är lägsta prestanda och 10 är industristandarden för 1 % töjning – förväntas klämning vanligtvis sänka konventionell piezoelektriks elektromekaniska respons från 10 till 10 intervallet 1-4.

"För att förstå hur klämning påverkar rörelse, första bilden är i ett mellansäte på ett flygplan utan någon på någon sida om dig - du skulle vara fri att justera din position om du blir obekväm, överhettad, etc.," sa Martin. "Föreställ dig nu samma scenario, förutom nu att du sitter mellan två enorma offensiva linjemän från Rices fotbollslag. Du skulle vara "klämd" mellan dem så att du verkligen inte kunde ändra din position på ett meningsfullt sätt som svar på en stimulans."

Forskarna ville förstå hur mycket tunna filmer av antiferroelektriska ämnen - en klass av material som förblev understuderad tills nyligen på grund av bristande tillgång till "modellversioner" av materialen och till deras komplexa struktur och egenskaper - ändrade sin form som svar på spänning och om de likaledes var känsliga för fastklämning.

Först odlade de tunna filmer av modellen antiferroelektriskt material PbZrO₃ med mycket noggrann kontroll av materialtjocklek, kvalitet och orientering. Därefter utförde de en rad elektriska och elektromekaniska mätningar för att kvantifiera de tunna filmernas svar på pålagd elektrisk spänning.

"Vi fann att responsen var betydligt större i de tunna filmerna av antiferroelektriskt material än vad som uppnås i liknande geometrier av traditionella material", säger Hao Pan, postdoktor i Martins forskargrupp och huvudförfattare till studien.

Att mäta formförändringar i så små skalor var inte en lätt bedrift. Faktum är att optimering av mätinställningen krävde så mycket arbete att forskarna dokumenterade processen i en separat publikation.

"Med den perfekta mätinställningen kan vi få en upplösning på två pikometer - det är ungefär en tusendels nanometer," sa Pan. "Men att bara visa att en formförändring hände betyder inte att vi förstår vad som händer, så vi var tvungna att förklara det. Detta var en av de första studierna som avslöjade mekanismerna bakom denna höga prestanda."

Med stöd från sina medarbetare vid Massachusetts Institute of Technology använde forskarna ett toppmodernt transmissionselektronmikroskop för att observera materialets formförskjutning i nanoskala med atomupplösning i realtid.

"Med andra ord, vi såg den elektromekaniska aktiveringen när den hände, så vi kunde se mekanismen för de stora formförändringarna," sa Martin. "Vad vi fann var att det finns en elektrisk spänningsinducerad förändring i materialets kristallstruktur, som är som den grundläggande byggnadsenheten eller en enda typ av legokloss som materialet är byggt av. I det här fallet får det legoklossen reversibelt sträckt med pålagd elektrisk spänning, vilket ger oss en stor elektromekanisk respons."

Överraskande nog fann forskarna att inte bara klämning inte stör materialets prestanda, utan det förbättrar det faktiskt. Tillsammans med medarbetare vid Lawrence Berkeley National Laboratory och Dartmouth College, återskapade de materialet beräkningsmässigt för att få en annan bild av hur fastspänningen påverkar aktiveringen under pålagd elektrisk spänning.

"Våra resultat är kulmen på år av arbete med relaterade material, inklusive utveckling av nya tekniker för att undersöka dem," sa Martin. "Genom att ta reda på hur man får dessa tunna material att fungera bättre, hoppas vi kunna möjliggöra utvecklingen av mindre och kraftfullare elektromekaniska enheter eller mikroelektromekaniska system (MEMS) – och till och med nanoelektromekaniska system (NEMS) – som använder mindre energi och kan göra saker som vi aldrig trodde var möjliga tidigare."