Materiais piezoelétricos convertem energia mecânica em elétrica e vice-versa. Eles já são amplamente utilizados em ultrassonografia, impressoras de jato de tinta, sistemas de sonar, sensores e métodos de posicionamento preciso. Sistemas microeletromecânicos (MEMS) de filmes finos piezoelétricos permitem as comunicações por telefones celulares e poderão gerar novas mudanças tecnológicas de alto impacto social. De fato, o campo dos MEMS  já está gerando máquinas microscópicas capazes de captar informações do ambiente, processá-las e, a partir delas, realizar operações envolvendo movimento.

O assunto será abordado em palestra plenária do XVI Encontro da SBPMat/ B-MRS Meeting pela professora Susan Trolier-McKinstry, que lidera um grupo de pesquisa na Penn State (The Pennsylvania State University, EUA) com ampla experiência no estudo e desenvolvimento de filmes finos piezoelétricos e seu uso em MEMS. Na palestra, a cientista revelará como faz para melhorar o desempenho de seus filmes finos piezoelétricos para utilizá-los, por exemplo, como sensores e atuadores e na chamada “colheita de energia” (captura de pequenas quantidades de energia mecânica espalhadas no ambiente para transformá-las em energia elétrica e utilizá-las em dispositivos de baixo consumo).

Trolier-McKinstry ocupa a cadeira Steward S. Flaschen de Ciência e Engenharia de Materiais Cerâmicos na Penn State, além de ser professora de Engenharia Elétrica e diretora do Laboratório de Nanofabricação nessa universidade. A cientista também é a atual presidente da Materials Research Society (MRS), a sociedade de pesquisa em materiais dos Estados Unidos que conta com um quadro de membros internacional e interdisciplinar formado por cerca de 14 mil indivíduos. Anteriormente, Trolier-McKinstry foi presidente da IEEE Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control Society e da Keramos National Professional Ceramic Engineering Fraternity.

Susan Trolier-McKinstry nasceu em Syracuse, no estado de Nova Iorque. Depois de realizar seus estudos primários e secundários em escolas públicas de cidades dos estados vizinhos de Nova Iorque e Pensilvânia, entrou na universidade do Estado de Pensilvânia para estudar Ciência e Engenharia de Materiais Cerâmicos. Em 4 anos de estudos, que incluíram seu primeiro trabalho de pesquisa sobre cerâmicas piezoelétricas, obteve os diplomas de graduação e mestrado. Logo depois, em 1987, iniciou o doutorado em Ciência dos Materiais Cerâmicos, também na Penn State, que incluiu um estágio de pesquisa no Laboratório Central de Pesquisa da Hitachi em Tóquio (Japão). Tanto no mestrado quanto no doutorado, Trolier-McKinstry foi orientada pelo professor Robert E. Newnham, um especialista em minerais e cristalografia que criou, no final da década de 1970 criou um transdutor de material compósito piezoelétrico que hoje é amplamente utilizado em aparelhos de ultrassom. Susan Trolier-McKinstry obteve o diploma de PhD em 1992 e, no mesmo ano, iniciou sua carreira acadêmica na Penn State.

A professora Trolier-McKinstry é editora associada do periódico Applied Physics Letters. É fellow da American Ceramic Society, IEEE e Materials Research Society e acadêmica da World Academy of Ceramics. Ela já recebeu vários prêmios e distinções por seu trabalho de pesquisa e ensino, como o “Ferroelectrics Achievement Award” da IEEE, o “Outstanding Educator Award” do Ceramic Education Council e o “Robert L. Coble Award for Young Scholars” da American Ceramic Society, entre outros. Além disso, sua biografia foi incluída no livro “Successful Women Ceramic and Glass Scientists and Engineers: 100 Inspirational Profiles”, lançado em 2016.

Além de ter desenvolvido uma destacada trajetória em pesquisa, com mais de 12 mil citações a seus trabalhos e um índice h de 56 segundo o Google Scholar, a professora Trolier-McKinstry é uma professora apaixonada por dar aulas e orgulhosa dos estudantes que orientou.

Segue uma breve entrevista com a cientista.

SBPMat: – Descreva brevemente quais são, na sua opinião, as suas principais contribuições científicas no assunto da palestra plenária. Fique à vontade para compartilhar referências bibliográficas.

Susan Trolier-McKinstry: – O meu grupo de pesquisa trabalha em três áreas principais: 1) compreensão dos fatores que controlam a magnitude das respostas dielétricas e piezoelétricas dos materiais, 2) ciência do processamento de filmes eletrocerâmicos, 3) demonstração de sistemas microeletromecânicos de baixa tensão para atuadores, sensores e colheita de energia. Na área fundamental, estudamos o papel que a estrutura de domínios e as paredes de domínio desempenham no controle das propriedades de filmes piezoelétricos de alta deformação baseados em composições ferroelétricas. Nós demonstramos a escala do comprimento em que paredes de domínio se movem coletivamente e quantificamos o papel que as bordas de grãos e a química de defeitos têm na influência da mobilidade da parede do titanato de zirconato de chumbo. Também contribuímos para o desenvolvimento de materiais com coeficientes piezoelétricos que são várias vezes maiores que os dos filmes finos convencionais, bem como os filmes cujo desempenho na colheita de energia é dezenas de vezes maior que o dos filmes convencionais. Em muitos casos, foi necessário inventar e calibrar novas ferramentas para avaliar as propriedades piezoelétricas. Uma vez que os materiais interessantes são desenvolvidos, trabalhamos em compreender como escalar a deposição para grandes tamanhos de substrato e substratos alternativos, como polímeros, vidros e metais. Também é crítico poder modelar lateralmente os filmes piezoelétricos sem degradar suas propriedades. Assim, o grupo também estuda métodos de padronização para comprimentos que variam de 100 nm a 200 mm. Como as propriedades dos materiais piezoelétricos de alta deformação têm forte relação com a composição e cristalinidade, é imperativo desenvolver processos de padronização que não degradem nenhum desses fatores. Finalmente, criamos sistemas microeletromecânicos em uma ampla gama de espaços de aplicação, incluindo óptica adaptativa, switches rf, sensores de aceleração, colheitadeiras de energia e interruptores de substituição CMOS.

SBPMat: – Por que utilizar materiais piezoelétricos na tecnologia MEMS?

Susan Trolier-McKinstry: – Muitos dispositivos MEMS destinam-se a gerar ou a detectar o movimento. Os materiais piezoelétricos permitem que isso seja feito com sensibilidade muito alta nos sensores e com baixas tensões nos atuadores. Assim, é possível substituir dispositivos eletrostáticos de alta tensão por alternativas piezoelétricas de baixa tensão. Isso, por sua vez, simplifica o sistema elétrico e permite uma miniaturização significativa de dispositivos. Por exemplo, agora estamos trabalhando em um sistema médico de ultrassom para imagens que é pequeno o suficiente para que todo o dispositivo (incluindo toda a eletrônica) possa ser colocado em uma pílula e engolido para investigação do trato gastrointestinal.

SBPMat: – Seu grupo de pesquisa já fabricou dispositivos MEMS piezoelétricos. Algum desses sistemas saiu do laboratório para ser comercializado?

Susan Trolier-McKinstry: – O campo dos MEMS piezoelétricos está explodindo agora. Assim, muitos dos desenvolvimentos de materiais que fizemos ao longo dos anos estão sendo utilizados em sistemas que estão sendo comercializados agora.

SBPMat: – Quais são, na sua opinião, os principais desafios ou objetivos que as sociedades de pesquisa em materiais têm hoje?

Susan Trolier-McKinstry: – As sociedades científicas desempenham papéis cruciais para melhorar a comunicação científica e ajudar seus membros a terem carreiras produtivas. As sociedades de pesquisa em materiais sustentam a essencial comunicação interdisciplinar através de reuniões e publicações, porque nosso campo se enquadra na junção de química, física e engenharia. Assim, é comum ver colegas de diferentes disciplinas se reunirem e discutir questões-chave interdisciplinares em reuniões de pesquisa de materiais. É chave para o nosso futuro promover a diversidade de pessoas e campos abrangidos pela sociedade.

SBPMat: – Na sua visão, de que maneira as comunidades da MRS e SBPMat poderiam aprofundar interação de maneira produtiva?

Susan Trolier-McKinstry: – Existem muitas possibilidades aqui. Bons exemplos podem ser identificar um determinado programa conjunto em torno de um objetivo de educação, divulgação ou comunicação. Uma possibilidade seria estabelecer um programa conjunto para traduzir materiais educacionais de um idioma para outro para aumentar a qualidade da educação em materiais em todo o mundo. Outras possibilidades podem ser a programação conjunta de um simpósio em um encontro, ou utilizar veículos de publicação como a MRS Advances para tornar os trabalhos apresentados nos encontros da SBPMat mais amplamente disponíveis. Tudo isso dependerá de boas interações entre as pessoas e as sociedades envolvidas.

Mais informações

No site do XVI Encontro da SBPMat, clique na foto de Susan Trolier-McKinstry e o mini CV dele e o resumo da palestra que proferirá no evento: http://sbpmat.org.br/16encontro/home/