Un team di ricerca del MIT ha mappato per la prima volta la struttura atomica tridimensionale di un ferroelettrico relaxor, utilizzando una tecnica chiamata ptychografia elettronica multistrato (MEP).
I ricercatori del MIT e di altre istituzioni hanno mappato per la prima volta la struttura atomica tridimensionale di un ferroelettrico relaxor, utilizzando una tecnica chiamata ptychografia elettronica multistrato (MEP). Pubblicati su Science, i risultati potrebbero contribuire a migliorare i modelli utilizzati per progettare le future tecnologie di calcolo, energia e rilevamento.
I ferroelettrici relaxor sono usati da decenni in tecnologie come apparecchiature a ultrasuoni, microfoni e sistemi sonar. Il loro comportamento insolito è radicato nella loro struttura atomica, ma ora i ricercatori sono stati a lungo in grado di misurarla direttamente, utilizzando una tecnica chiamata ptychografia elettronica multistrato (MEP): “Ora che abbiamo una migliore comprensione di ciò che accade esattamente, possiamo prevedere e progettare con maggiore precisione le proprietà che vogliamo che i materiali raggiungano. La comunità scientifica sta ancora sviluppando metodi per progettare questi materiali, ma per prevedere le proprietà che avranno, è necessario sapere se il modello è corretto” afferma l’autore corrispondente James LeBeau, professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso il MIT.
Analisi di materiali disordinati
Le simulazioni attuali suggeriscono che, quando un campo elettrico viene applicato a materiali ferroelettrici relaxor, gli atomi caricati positivamente e negativamente interagiscono all’interno di minuscole regioni del materiale. Si ritiene che queste interazioni contribuiscano alle elevate capacità di accumulo di energia e di rilevamento di questi materiali. Finora, tuttavia, la struttura di queste regioni non poteva essere misurata direttamente.
Per il loro articolo pubblicato su Science, il team del MIT ha esaminato una lega di niobato di piombo e magnesio e titanato di piombo, un materiale ferroelettrico relaxor utilizzato in sensori, attuatori e sistemi di difesa. Lo hanno studiato con la ptychografia elettronica multistrato (MEP), una tecnica emergente che scansiona un materiale con una sonda nanometrica di elettroni ad alta energia e registra i modelli di diffrazione elettronica risultanti.
Il metodo ha rivelato strutture chimiche e polari stratificate che si estendono dalla scala atomica a quella mesoscopica. Ha anche dimostrato che molte aree con polarizzazione diversa erano molto più piccole di quanto previsto dalle simulazioni più avanzate. Il team ha utilizzato queste misurazioni per aggiornare le simulazioni al computer, rendendo i modelli più adatti al comportamento del materiale in diverse condizioni.
Verso una migliore progettazione dei materiali
Lo studio del MIT presenta la ptychografia elettronica come un potente strumento per esaminare materiali complessi e potrebbero aprire nuove strade per lo studio dei sistemi disordinat: “Questo studio rappresenta la prima volta, al microscopio elettronico, in cui siamo riusciti a collegare direttamente la struttura polare tridimensionale dei materiali ferroelettrici relaxor con calcoli di dinamica molecolare. Dimostra inoltre che è possibile ottenere informazioni tridimensionali dal campione utilizzando questa tecnica” afferma Michael Xu, autore principale.
Questo approccio potrebbe in futuro aiutare gli scienziati a progettare materiali con proprietà elettroniche avanzate per migliorare la memorizzazione, la rilevazione e le tecnologie energetiche: “La scienza dei materiali sta incorporando una maggiore complessità nel processo di progettazione dei materiali, sia per le leghe metalliche che per i semiconduttori, grazie al miglioramento dell’intelligenza artificiale e al perfezionamento dei nostri strumenti computazionali. Ma se i nostri modelli non sono sufficientemente accurati e non abbiamo modo di convalidarli, è come inserire dati spazzatura e ottenere risultati spazzatura. Questa tecnica ci aiuta a capire perché il materiale si comporta in un certo modo e a convalidare i nostri modelli” afferma LeBeau.
Il lavoro è stato parzialmente finanziato dal Laboratorio di Ricerca dell’Esercito degli Stati Uniti, dall’Ufficio di Ricerca Navale degli Stati Uniti, dal Dipartimento della Guerra degli Stati Uniti e da una borsa di studio per laureati in scienze (National Science Graduate Fellowship). I ricercatori hanno inoltre utilizzato le strutture del MIT.nano.
