I sali liquidi portano spinta

Apr 02, 2023

Gli scienziati hanno scoperto i primi liquidi piezoelettrici conosciuti, in grado di convertire la forza meccanica in carica elettrica e viceversa. La natura generalmente rispettosa dell'ambiente di questi materiali suggerisce che potrebbero trovare molte applicazioni oltre ai composti piezoelettrici standard, come nuovi sistemi ottici e idraulici controllati elettricamente. Tuttavia, resta ancora molto da sapere su come funzionano e quindi di cosa potrebbero essere capaci.

La piezoelettricità fu scoperta per la prima volta nel 1880. Da allora l'effetto ha trovato una vasta gamma di applicazioni, tra cui altoparlanti per cellulari, stampanti a getto d'inchiostro, imaging ad ultrasuoni, apparecchiature sonar, sensori di pressione, pickup per chitarra acustica e iniettori di carburante diesel.

Fino ad ora, tutti i materiali piezoelettrici conosciuti erano solidi. Ora gli scienziati hanno scoperto per la prima volta i liquidi piezoelettrici. Hanno dettagliato i loro risultati in uno studio online pubblicato il 9 marzo sul Journal of Physical Chemistry Letters.

"L'ottica controllata elettricamente è fattibile, solo in base a ciò che sappiamo ora."—Gary Blanchard, Michigan State University

I ricercatori hanno sperimentato liquidi ionici. Questi fluidi sono sali, composti costituiti ciascuno da un catione caricato positivamente e da un anione caricato negativamente, che sono liquidi a temperature insolitamente basse. In confronto, il sale da cucina si scioglie a circa 800 ºC.

"Sono spesso relativamente viscosi: pensate a loro come olio per motori o sciroppo d'acero", afferma Gary Blanchard, uno degli autori dello studio e professore di chimica alla Michigan State University, a East Lansing.

Blanchard afferma che il team stava conducendo esperimenti standard progettati per comprendere meglio le proprietà di base dei sali allo stato liquido (noti anche come liquidi ionici). Il team ha scoperto che due diversi liquidi ionici a temperatura ambiente generavano ciascuno elettricità quando un pistone li comprimeva all’interno di un cilindro. La forza dell'effetto osservato dai ricercatori era direttamente proporzionale alla forza applicata.

"Ci ha scioccati da morire vedere una cosa del genere", dice Blanchard. "Nessuno aveva mai visto prima l'effetto piezoelettrico nei liquidi."

Blanchard e i suoi colleghi hanno scoperto che le proprietà ottiche di questi liquidi ionici potrebbero alterarsi drasticamente in risposta alla corrente elettrica. Ad esempio, quando i ricercatori hanno posizionato questi fluidi in un contenitore a forma di lente, hanno scoperto che una carica elettrica poteva modificare la quantità di liquidi che piegano la luce, "cambiando la lunghezza focale della lente", afferma Blanchard.

Resta incerto quali applicazioni potrebbero avere i liquidi piezoelettrici. Per lo meno, le proprietà ottiche mutevoli di questi fluidi suggeriscono che "l'ottica controllata elettricamente è fattibile, proprio in base a ciò che sappiamo ora", afferma Blanchard.

Se l'elettricità provoca un cambiamento di dimensione nei liquidi piezoelettrici proprio come fa con i solidi piezoelettrici, "si potrebbe immaginare un nuovo campo della piezoidraulica", aggiunge Blanchard.

"Difficilmente si penserebbe di cercare una risposta piezoelettrica in un liquido. Il fatto di averne trovata una in un liquido è stata quindi una vera sorpresa."—Gary Blanchard, Michigan State University

Inoltre, molti solidi piezoelettrici possono comportare rischi ambientali. Ad esempio, la ceramica piezoelettrica più comunemente utilizzata, PZT, contiene piombo. Al contrario, i liquidi ionici a temperatura ambiente sono generalmente significativamente più riciclabili e rispettosi dell’ambiente rispetto a molti materiali piezoelettrici comuni, affermano i ricercatori.

Inoltre, la creazione di componenti piezoelettrici delle forme e dimensioni desiderate può rivelarsi difficile. Al contrario, i liquidi piezoelettrici potrebbero offrire una gamma più ampia di opportunità di progettazione, afferma Blanchard.

Quando si tratta di comprendere come avviene la piezoelettricità, ricerche precedenti hanno scoperto che l’effetto si verifica nei solidi quando una forza meccanica deforma le loro strutture, spostando le cariche elettriche al loro interno. Al contrario, una carica elettrica applicata a questi materiali ne distorce la struttura.

"Entrambe queste cose richiedono un'organizzazione sostanziale all'interno di un materiale", afferma Blanchard. Il presupposto di base con i liquidi è che non esiste un ordine persistente in quei materiali. Di conseguenza, difficilmente si penserebbe di cercare una risposta piezoelettrica da un liquido. Il fatto che ne abbiamo trovato uno in un liquido è stata quindi una vera sorpresa."