Ένα μακροχρόνιο μυστήριο της επιστήμης των υλικών λύθηκε — ανοίγοντας τον δρόμο για πιο έξυπνη και ισχυρή τεχνολογία. Για δεκαετίες, τα χαλαρωτικά σιδηροηλεκτρικά (relaxor ferroelectrics) τροφοδοτούσαν τα πάντα, από τους ιατρικούς υπερήχους μέχρι τα συστήματα σόναρ, ωστόσο η εσωτερική ατομική τους δομή παρέμενε μυστήριο — μέχρι τώρα.
Οι ερευνητές χαρτογράφησαν επιτέλους την τρισδιάστατη δομή τους με πρωτοφανή λεπτομέρεια, αποκαλύπτοντας κρυφά μοτίβα στον τρόπο διάταξης των ηλεκτρικών φορτίων στη νανοκλίμακα.
Αυτή η ανακάλυψη όχι μόνο καταρρίπτει παγιωμένες υποθέσεις για τη συμπεριφορά αυτών των υλικών, αλλά επιτρέπει επίσης στους επιστήμονες να βελτιώσουν τα μοντέλα που χρησιμοποιούνται για τον σχεδιασμό τους.
Υλικά γνωστά ως χαλαρωτικά σιδηροηλεκτρικά (relaxor ferroelectrics) παίζουν σημαντικό ρόλο εδώ και δεκαετίες σε τεχνολογίες όπως η απεικόνιση με υπερήχους, τα μικρόφωνα και τα συστήματα σόναρ.
Η ασυνήθιστη απόδοσή τους οφείλεται στον τρόπο με τον οποίο είναι διατεταγμένα τα άτομα στο εσωτερικό τους. Ωστόσο, αυτή η εσωτερική δομή ήταν εξαιρετικά δύσκολο να μετρηθεί άμεσα, αναγκάζοντας τους επιστήμονες να βασίζονται σε ελλιπή μοντέλα.
Τώρα, ερευνητές από το MIT και συνεργαζόμενα ιδρύματα χαρτογράφησαν, για πρώτη φορά, την τρισδιάστατη ατομική δομή ενός χαλαρωτικού σιδηροηλεκτρικού υλικού.
Τα αποτελέσματά τους, που πρόκειται να δημοσιευθούν στο περιοδικό Science, προσφέρουν μια σαφέστερη βάση για τη βελτίωση των μοντέλων που χρησιμοποιούνται για τον σχεδιασμό μελλοντικών υπολογιστικών συστημάτων, ενεργειακών συσκευών και προηγμένων αισθητήρων.
«Τώρα που έχουμε μια καλύτερη κατανόηση του τι ακριβώς συμβαίνει, μπορούμε να προβλέψουμε και να σχεδιάσουμε καλύτερα τις ιδιότητες που θέλουμε να επιτύχουν τα υλικά», λέει ο κύριος συγγραφέας James LeBeau, Καθηγητής Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών στην έδρα Kyocera του MIT.
«Η ερευνητική κοινότητα αναπτύσσει ακόμη μεθόδους για τον σχεδιασμό αυτών των υλικών, αλλά για να προβλέψεις τις ιδιότητες που θα έχουν, πρέπει πρώτα να γνωρίζεις αν το μοντέλο σου είναι σωστό».
Αποκαλύπτοντας κρυφά μοτίβα φορτίου σε σύνθετα υλικά
Στη μελέτη, η ομάδα χρησιμοποίησε μια μέθοδο απεικόνισης αιχμής για να εξετάσει πώς κατανέμονται τα ηλεκτρικά φορτία σε όλο το υλικό. Αυτό που ανακάλυψαν αμφισβήτησε τις προηγούμενες παραδοχές.
«Συνειδητοποιήσαμε ότι η χημική αταξία που παρατηρήσαμε στα πειράματά μας δεν είχε ληφθεί πλήρως υπόψη στο παρελθόν», λένε οι συν-πρώτοι συγγραφείς Michael Xu και Menglin Zhu, αμφότεροι μεταδιδακτορικοί ερευνητές στο MIT.
«Συνεργαζόμενοι με τους εταίρους μας, καταφέραμε να συνδυάσουμε τις πειραματικές παρατηρήσεις με προσομοιώσεις, ώστε να βελτιώσουμε τα μοντέλα και να προβλέψουμε καλύτερα αυτά που βλέπουμε στα πειράματα».
Στην ερευνητική ομάδα συμμετείχαν επίσης οι Colin Gilgenbach και Bridget R. Denzer, υποψήφιοι διδάκτορες στην επιστήμη και μηχανική υλικών στο MIT, ο Yubo Qi, επίκουρος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Αλαμπάμα στο Μπέρμιγχαμ, η Jieun Kim, επίκουρη καθηγήτρια στο Προηγμένο Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κορέας (KAIST), ο Jiahao Zhang, πρώην υποψήφιος διδάκτωρ στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια, ο Lane W. Martin, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Ράις και, ο Andrew M. Rappe, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια.
Διερευνώντας τα άτακτα υλικά στην ατομική κλίμακα
Τα υπολογιστικά μοντέλα υποστήριζαν εδώ και καιρό ότι, όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό πεδίο στα χαλαρωτικά σιδηροηλεκτρικά υλικά, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ θετικά και αρνητικά φορτισμένων ατόμων μέσα σε μικροσκοπικές περιοχές βοηθούν στη δημιουργία των ισχυρών δυνατοτήτων αποθήκευσης ενέργειας και ανίχνευσης που διαθέτουν.
Μέχρι τώρα, αυτές οι περιοχές νανοκλίμακας δεν ήταν δυνατόν να παρατηρηθούν άμεσα. Για να ερευνήσουν περαιτέρω, οι ερευνητές εστίασαν σε ένα ευρέως διαδεδομένο υλικό που χρησιμοποιείται σε αισθητήρες, ενεργοποιητές και αμυντικά συστήματα: Ένα κράμα νιοβικού μαγνησίου-μολύβδου και τιτανικού μολύβδου.
Εφάρμοσαν μια προηγμένη τεχνική που ονομάζεται φωτογραμμετρία ηλεκτρονίων πολλαπλών τομών (MEP). Αυτή η μέθοδος περιλαμβάνει τη σάρωση του υλικού με μια δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας σε νανοκλίμακα και την καταγραφή των προτύπων περίθλασης που προκύπτουν.
«Αυτό το κάνουμε με διαδοχικό τρόπο και, σε κάθε θέση, λαμβάνουμε ένα πρότυπο περίθλασης», εξηγεί η Zhu. «Αυτό δημιουργεί περιοχές αλληλεπικάλυψης, οι οποίες διαθέτουν επαρκείς πληροφορίες ώστε, μέσω ενός αλγορίθμου, να ανακατασκευάσουμε επαναληπτικά τρισδιάστατες πληροφορίες για το αντικείμενο και την κυματοσυνάρτηση των ηλεκτρονίων».
Χρησιμοποιώντας αυτή την προσέγγιση, η ομάδα αποκάλυψε μια στρωματοποιημένη ιεραρχία χημικών και πολικών δομών, που εκτείνεται από τα μεμονωμένα άτομα μέχρι μεγαλύτερα, μεσοσκοπικά χαρακτηριστικά. Ανακάλυψαν επίσης ότι οι περιοχές με διαφορετική πόλωση ήταν σημαντικά μικρότερες από ό,τι είχαν προβλέψει προγενέστερες προσομοιώσεις.
Ενσωματώνοντας αυτές τις παρατηρήσεις στα μοντέλα τους, οι ερευνητές κατάφεραν να βελτιώσουν τον βαθμό στον οποίο οι προσομοιώσεις ανταποκρίνονται στην πραγματική συμπεριφορά των υλικών.
«Προηγουμένως, αυτά τα μοντέλα διέθεταν ουσιαστικά τυχαίες περιοχές πόλωσης, αλλά δεν μας έλεγαν πώς αυτές οι περιοχές συσχετίζονται μεταξύ τους», λέει ο Xu. «Τώρα μπορούμε να παρέχουμε αυτή την πληροφορία και να δούμε πώς τα μεμονωμένα χημικά είδη μεταβάλλουν την πόλωση ανάλογα με την κατάσταση φόρτισης των ατόμων».
Προς καλύτερα υλικά για τις τεχνολογίες του μέλλοντος
Σύμφωνα με τη Zhu, τα ευρήματα αναδεικνύουν την αυξανόμενη ισχύ της φωτογραμμετρίας ηλεκτρονίων (electron ptychography) για την εξερεύνηση σύνθετων, άτακτων υλικών και θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε νέες ερευνητικές κατευθύνσεις.
«Αυτή η μελέτη αποτελεί την πρώτη φορά που καταφέραμε, μέσω ηλεκτρονικού μικροσκοπίου, να συνδέσουμε άμεσα την τρισδιάστατη πολική δομή των χαλαρωτικών σιδηροηλεκτρικών με υπολογισμούς μοριακής δυναμικής», λέει ο Xu.
«Αποδεικνύει περαιτέρω ότι μπορείς να αντλήσεις τρισδιάστατες πληροφορίες από το δείγμα χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνική». Η ομάδα πιστεύει ότι αυτή η μέθοδος θα μπορούσε τελικά να βοηθήσει τους επιστήμονες να σχεδιάσουν υλικά με προσαρμοσμένες ηλεκτρονικές ιδιότητες, βελτιώνοντας τεχνολογίες όπως η αποθήκευση μνήμης, τα συστήματα ανίχνευσης και οι ενεργειακές συσκευές.
«Η επιστήμη των υλικών ενσωματώνει ολοένα και μεγαλύτερη πολυπλοκότητα στη διαδικασία σχεδιασμού —είτε πρόκειται για μεταλλικά κράματα είτε για ημιαγωγούς -καθώς η Τεχνητή Νοημοσύνη βελτιώνεται και τα υπολογιστικά μας εργαλεία γίνονται πιο προηγμένα», λέει ο LeBeau.
«Αλλά αν τα μοντέλα μας δεν είναι αρκετά ακριβή και δεν έχουμε τρόπο να τα επαληθεύσουμε, τότε το αποτέλεσμα θα είναι εσφαλμένο (garbage in, garbage out). Αυτή η τεχνική μάς βοηθά να κατανοήσουμε γιατί το υλικό συμπεριφέρεται με αυτόν τον τρόπο και να επικυρώσουμε τα μοντέλα μας».
Η έρευνα υποστηρίχθηκε εν μέρει από το Ερευνητικό Εργαστήριο του Στρατού των ΗΠΑ (U.S. Army Research Laboratory), το Γραφείο Ναυτικών Ερευνών των ΗΠΑ (U.S. Office of Naval Research), το Υπουργείο Πολέμου των ΗΠΑ και μια Εθνική Υποτροφία Επιστημονικών Μεταπτυχιακών Σπουδών.
Η εργασία έκανε επίσης χρήση των εγκαταστάσεων του MIT.nano.
