La struttura fine del titanio di bario, una potenziale alternativa al piombo titanio, è stato rivelato da ricercatori che impiegano una nuova tecnica nel periodo di tempo estremamente breve in cui si verificano i fenomeni ferroelettrici sperimentati da questi materiali. L'indagine dovrebbe aiutare a esplorare ulteriormente come sostituire il titanato di piombo con altri materiali, in modo che la sua ampia applicabilità possa essere goduta evitando il suo ruolo nell'inquinamento da piombo.

I ricercatori in Giappone hanno usato un romanzo, tecnica ultrarapida per esplorare la struttura fine di un potenziale materiale alternativo al titanato di piombo, un materiale ferroelettrico ampiamente utilizzato per i sensori in molti dispositivi di uso quotidiano. Comprendere questa struttura ci porta un passo avanti verso l'eliminazione di queste restanti fonti di inquinamento da piombo.

Lo studio è apparso sulla rivista di scienza dei materiali Acta Materialia il 21 gennaio.

I materiali ferroelettrici sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni pratiche, dai condensatori alle celle di memoria, ecografia medica per l'archiviazione e la visualizzazione dei dati. Questi materiali hanno una polarizzazione spontanea, o direzione, dei loro elettroni che possono essere commutati avanti e indietro tramite l'applicazione di un campo elettrico, chiamata ferroelettricità.

In tutto il mondo, la società riconosce sempre più la necessità di ridurre l'inquinamento da tutte le attività e dispositivi, ma per portare avanti questo obiettivo, deve prima essere raggiunta una comprensione ancora più profonda della struttura di molti materiali attualmente utilizzati. Nella vastissima famiglia dei vari materiali ferroelettrici, il titanato di piombo è comunemente usato nei sensori che misurano la pressione, accelerazione, temperatura, sforzo, o forzare in una serie di dispositivi comuni. È stato da tempo dimostrato che l'inquinamento da piombo è tremendamente dannoso per il cervello umano, e mentre la maggior parte delle giurisdizioni ha bandito il piombo nelle vernici e nella benzina, la ricerca per sviluppare materiali alternativi per tali dispositivi rimane ancora da completare.

Alcune ricerche sono state eseguite su titanati di perovskite, una famiglia di materiali ferroelettrici che combinano l'ossido di titanio (TiO) con il piombo, bario, stronzio o calcio. Il prefisso perovskite descrive semplicemente la struttura cristallina, ciascuno dei quali i membri della famiglia condividono. Una struttura cristallina comune a sua volta significa che il piombo potrebbe essere potenzialmente sostituito con il bario meno pericoloso per l'ambiente (a causa dei loro ioni di dimensioni e carica simili).

Questa precedente ricerca aveva identificato un chiaro legame tra l'ibridazione degli orbitali elettronici dei diversi atomi costituenti del titanato di perovskite e le sue proprietà ferroelettriche.

"Il passo successivo quindi è stato quello di ottenere in qualche modo l'osservazione diretta dello stato di questi elettroni mentre veniva applicato il campo elettrico, " afferma Nobuo Nakajima della Graduate School of Advanced Science and Engineering presso l'Università di Hiroshima, coautore dello studio. "Ciò richiedeva osservazioni ultrarapide".

Quindi il team ha combinato la spettroscopia di assorbimento dei raggi X (XAS) con un approccio risolto nel tempo. XAS implica l'interazione di un raggio X con gli elettroni del nucleo profondo di un atomo piuttosto che con i suoi elettroni esterni (o di valenza). La misurazione di questa interazione permette di descrivere la struttura fine del materiale. Un approccio risolto nel tempo prevede l'uso di questa tecnica per studiare i cambiamenti dinamici nel materiale su scale temporali estremamente brevi in ​​cui si verificano fenomeni come l'inversione della polarizzazione ferroelettrica. Consente ai ricercatori di rilevare i più piccoli cambiamenti negli spettri e negli stati elettronici sotto i campi elettrici. La combinazione delle due tecniche è stata eseguita per la prima volta, su titanato di bario.

I ricercatori hanno scoperto che oltre all'ibridazione orbitale tra titanio e ossigeno che era già stata identificata, un effetto simile è stato osservato tra il bario e lo stato degli elettroni di titanio. Ciò ha anche contribuito all'inversione della polarizzazione nel titanato di bario.

Sperano che la loro nuova tecnica applicata a un titanato di perovskite parallelo possa fornire indizi su ciò che descrivono come la "natura nascosta" del titanato di piombo, e portare il mondo un passo più vicino all'eliminazione dell'inquinamento da piombo.