Une équipe de recherche de la Pennsylvania State University a mis au point une nouvelle céramique piézoélectrique sans plomb en améliorant la structure et les propriétés chimiques du matériau à base de niobate de potassium-sodium (KNN). Ce matériau présente une stabilité thermique et une résistance à la fatigue tout en conservant de bonnes performances piézoélectriques et une densité plus faible, offrant ainsi une nouvelle option pour la collecte d’énergie vibratoire.

L’équipe a ajouté du manganèse (élément magnétique) à la composition du KNN et a contrôlé l’orientation de la croissance des grains par un traitement thermique, améliorant ainsi la résistance mécanique et la réponse piézoélectrique du matériau. Le premier auteur, Aman Nanda, déclare : « Nous pourrions placer des collecteurs d’énergie piézoélectrique sous les pistes de danse, les couloirs, les ponts ou les parkings pour récupérer l’énergie produite par ces vibrations mécaniques. Comme notre matériau KNN est léger, nous pourrions également l’utiliser dans les avions. » Ce matériau piézoélectrique sans plomb a montré, en laboratoire, des capacités de collecte d’énergie comparables à celles des matériaux traditionnels à base de plomb.

Publiés dans la revue Small, ces résultats mettent en évidence le potentiel des matériaux piézoélectriques sans plomb dans le domaine de la collecte d’énergie. Le co-directeur de l’étude, le professeur Mike Lanagan (département de science et mécanique de l’ingénierie), précise : « Aman a optimisé le matériau en ajoutant des éléments spécifiques, améliorant ainsi ses performances. Il a beaucoup travaillé sur la modification de la composition et des méthodes de synthèse pour améliorer les propriétés chimiques. » Les chercheurs ont obtenu une croissance unidirectionnelle des grains en contrôlant la plage de température de synthèse, renforçant les caractéristiques fonctionnelles du matériau.

Ce nouveau matériau piézoélectrique sans plomb peut également être utilisé dans la fabrication de capteurs et dans le domaine biomédical. Le co-directeur, le professeur Bed Poudel (science des matériaux), ajoute : « Comme les matériaux sans plomb sont biocompatibles, notre nouveau matériau à base de KNN ouvre la voie à l’intégration de dispositifs fabriqués à partir de ce matériau dans des applications biomédicales. » L’équipe se concentrera désormais sur les tests de performance du matériau dans des scénarios d’application concrets.