Un team di ricercatori ha osservato e riportato per la prima volta la microstruttura unica di un nuovo materiale ferroelettrico, consentendo lo sviluppo di materiali piezoelettrici senza piombo per l'elettronica, i sensori e l'accumulo di energia più sicuri per l'uso umano. Questo lavoro è stato condotto dall'Alem Group della Penn State e in collaborazione con i gruppi di ricerca della Rutgers University e dell'Università della California, Merced.

I ferroelettrici sono una classe di materiali che dimostrano una polarizzazione elettrica spontanea quando viene applicata una carica elettrica esterna. Ciò provoca una polarizzazione elettrica spontanea quando le cariche positive e negative nei materiali si dirigono a poli diversi. Questi materiali hanno anche proprietà piezoelettriche, il che significa che il materiale genera una carica elettrica sotto una forza meccanica applicata.

Ciò consente a questi materiali di produrre elettricità da energia come calore, movimento o persino rumore che altrimenti potrebbe essere sprecata. Pertanto, hanno il potenziale per alternative all'energia basata sul carbonio, come la raccolta di energia dal calore di scarto. Inoltre, i materiali ferroelettrici sono particolarmente utili per l'archiviazione e la memoria dei dati poiché possono rimanere in uno stato polarizzato senza alimentazione aggiuntiva, il che li rende attraenti per l'archiviazione dei dati e l'elettronica a risparmio energetico. Sono anche ampiamente utilizzati in applicazioni vantaggiose come interruttori, dispositivi medici importanti come cardiofrequenzimetri e ultrasuoni, accumulatori di energia e attuatori.

Tuttavia, i materiali piezoelettrici più potenti contengono piombo, che è un problema importante dato che il piombo è tossico per l'uomo e gli animali.

"Ci piacerebbe progettare un materiale piezoelettrico che non presenti gli svantaggi dei materiali attuali", ha affermato Nasim Alem, professore associato di scienza dei materiali e ingegneria della Penn State e autore corrispondente dello studio. "E in questo momento, il piombo in tutti questi materiali è un grosso svantaggio perché il piombo è pericoloso. Ci auguriamo che il nostro studio possa risultare in un candidato adatto per un migliore sistema piezoelettrico."

Per sviluppare un percorso verso un materiale così privo di piombo con forti proprietà piezoelettriche, il team di ricerca ha lavorato con manganato di calcio, Ca₃ Mn₂ O₇ (OCM). CMO è un nuovo materiale ferroelettrico ibrido improprio con alcune proprietà interessanti.

"Il principio di progettazione di questo materiale è combinare il movimento dei piccoli ottaedri di ossigeno del materiale", ha affermato Leixin Miao, dottoranda in scienze dei materiali e primo autore dello studio in Nature Communications . "Nel materiale ci sono ottaedri di atomi di ossigeno che possono inclinarsi e ruotare. Il termine 'ibrido improprio ferroelettrico' significa che combiniamo la rotazione e l'inclinazione degli ottaedri per produrre ferroelettricità. È considerato un 'ibrido' perché è il combinazione di due movimenti degli ottaedri che generano quella polarizzazione per la ferroelettricità. È considerato un ferroelettrico "improprio" poiché la polarizzazione viene generata come effetto secondario."

C'è anche una caratteristica unica della microstruttura di CMO che è un mistero per i ricercatori.

"A temperatura ambiente, ci sono alcune fasi polari e non polari che coesistono a temperatura ambiente nel cristallo", ha detto Miao. "E si ritiene che quelle fasi coesistenti siano correlate con un comportamento di espansione termica negativo. È noto che normalmente un materiale si espande quando viene riscaldato, ma questo si restringe. Questo è interessante, ma sappiamo molto poco della struttura, come come le fasi polari e non polari coesistono."

Per capire meglio questo, i ricercatori hanno utilizzato la microscopia elettronica a trasmissione su scala atomica.

"Il motivo per cui abbiamo usato la microscopia elettronica è perché con la microscopia elettronica, possiamo usare sonde su scala atomica per vedere l'esatta disposizione atomica nella struttura", ha detto Miao. "Ed è stato molto sorprendente osservare le nanoregioni polari a doppio doppio strato nei cristalli CMO. A nostra conoscenza, è la prima volta che tale microstruttura è stata ripresa direttamente nei materiali di perovskite stratificati".

Prima, secondo i ricercatori, non era mai stato osservato cosa succede a un materiale che attraversa una tale transizione di fase ferroelettrica. Ma con la microscopia elettronica, potrebbero monitorare il materiale e ciò che stava accadendo durante la transizione di fase.

"Abbiamo monitorato il materiale, cosa sta succedendo durante la transizione di fase e siamo stati in grado di sondare atomo per atomo il tipo di legame che abbiamo, il tipo di distorsioni strutturali che abbiamo nel materiale e come potrebbe cambiare in funzione di temperatura", ha detto Alem. "E questo spiega molto bene alcune delle osservazioni che le persone hanno avuto con questo materiale. Ad esempio, quando ottengono il coefficiente di espansione termica, nessuno sa davvero da dove provenga. Fondamentalmente, questo stava scendendo al livello atomico e comprendere la fisica, la chimica su scala atomica e anche la dinamica della transizione di fase, come sta cambiando."

Ciò a sua volta consentirebbe lo sviluppo di potenti materiali piezoelettrici senza piombo.

"Gli scienziati hanno cercato di trovare nuovi percorsi per scoprire materiali ferroelettrici senza piombo per molte applicazioni vantaggiose", ha detto Miao. "Si ritiene che l'esistenza delle nanoregioni polari avvantaggia le proprietà piezoelettriche e ora abbiamo dimostrato che tramite l'ingegneria dei difetti, potremmo essere in grado di progettare nuovi forti cristalli piezoelettrici che alla fine sostituirebbero tutti i materiali contenenti piombo per applicazioni ad ultrasuoni o attuatori."

Il lavoro di caratterizzazione che ha rivelato questi processi inediti nel materiale è stato svolto presso le strutture del Materials Research Institute nel Millennium Science Complex. Ciò includeva esperimenti con più microscopi elettronici a trasmissione (TEM) che hanno permesso di vedere cose mai viste prima.

Un altro vantaggio dello studio è stato il software gratuito sviluppato dal team di ricerca EASY-STEM, che consente una più semplice elaborazione dei dati delle immagini TEM. Ciò potrebbe potenzialmente ridurre il tempo necessario per far avanzare la ricerca scientifica e spostarla verso l'applicazione pratica.

"Il software ha un'interfaccia utente grafica che consente agli utenti di inserire con i clic del mouse, quindi le persone non devono essere esperte di programmazione ma possono comunque generare analisi straordinarie", ha affermato Miao. + Esplora ulteriormente

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