Agli ingegneri dei materiali non piace vedere i difetti di linea nei materiali funzionali.

I difetti strutturali lungo una linea unidimensionale di atomi generalmente degradano le prestazioni dei materiali elettrici. Così, come un documento di ricerca pubblicato oggi dalla rivista Scienza rapporti, questi difetti lineari, o dislocazioni, "di solito sono evitati a tutti i costi."

Ma a volte, un team di ricercatori europei, La Iowa State University e l'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti riportano in quel documento, ingegnerizzare quei difetti in alcuni cristalli di ossido può effettivamente aumentare le prestazioni elettriche.

Il team di ricerca, guidato da Jürgen Rödel e Jurij Koruza dell'Università tecnica di Darmstadt in Germania, ha scoperto che alcuni difetti producono miglioramenti significativi in ​​due misurazioni chiave delle prestazioni elettriche nel titanato di bario, un materiale ceramico cristallino.

"Introducendo questi difetti nel materiale, possiamo cambiare, modificare o migliorare le proprietà funzionali del materiale, " ha detto Xiaoli Tan, un professore di scienza e ingegneria dei materiali dello stato dell'Iowa e collaboratore di ricerca di lunga data con Rödel.

In questo caso, i difetti ingegnerizzati hanno portato a un aumento di cinque volte delle proprietà dielettriche (che limitano il flusso di corrente) e a un aumento di 19 volte delle proprietà piezoelettriche (che generano internamente un campo elettrico quando sottoposto a stress meccanico), ha detto Tan.

Strumenti speciali per misurazioni speciali

Oltre a Tan, altri due ricercatori dello stato dell'Iowa hanno aiutato il team di ricerca internazionale del progetto a esplorare questioni fondamentali sui materiali:Lin Zhou, uno scienziato in scienza e ingegneria dei materiali e il Laboratorio Ames del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti; e Binzhi Liu, uno studente di dottorato in scienza e ingegneria dei materiali.

Con il sostegno della National Science Foundation, i tre hanno contribuito con la loro esperienza nella microscopia elettronica a trasmissione, tecnologia che può mostrare le strutture e le caratteristiche dei materiali sparando un fascio di elettroni attraverso campioni sottili e registrando un'immagine. Le immagini hanno una risoluzione molto più alta della microscopia ottica e possono mostrare dettagli fini fino alla scala dei singoli atomi.

La chiave del progetto è stata la Sensitive Instrument Facility del Laboratorio Ames, costruito in collaborazione con Iowa State. L'edificio è stato costruito nel 2015 con quasi $ 10 milioni dal Dipartimento dell'Energia. Fornisce un ambiente privo di vibrazioni e statico per la microscopia elettronica alle massime risoluzioni possibili.

"È una struttura di microscopia elettronica all'avanguardia, " Ha detto Zhou. "Fornisce un ambiente ultra stabile in modo che possiamo ottenere immagini a livello di atomo di materiale e allo stesso tempo acquisire informazioni chimiche.

"È un'ottima piattaforma per la ricerca e la formazione della prossima generazione di scienziati dei materiali".

Un materiale migliore per i condensatori?

Per questo progetto, il team di microscopia elettronica ha quantificato le prove che i difetti di linea in un materiale cristallino possono aumentare le prestazioni elettriche, ha detto Liu.

I numeri hanno mostrato che "le dislocazioni possono alterare significativamente il comportamento di altre belle caratteristiche nel materiale, " ha detto Liù.

Tan ha affermato che la scoperta potrebbe avere grandi implicazioni per l'industria dei condensatori elettrici.

Ci sono centinaia di condensatori nel tuo cellulare e il mercato per loro è enorme, ha detto Tan. Il materiale ceramico testato in questo progetto è stato ampiamente utilizzato nei condensatori, ma l'aumento delle prestazioni elettriche indotto dal difetto potrebbe renderlo migliore. È anche senza piombo e meno tossico rispetto ad altre opzioni di materiali.

E così, i ricercatori hanno scritto, questi difetti di linea ingegnerizzati potrebbero trasformarsi in "una diversa suite di strumenti per personalizzare i materiali funzionali". E questa "raccolta funzionale" potrebbe essere un bene per la nostra elettronica, e anche il nostro ambiente e la nostra salute.