Le proprietà di un solido dipendono dalla disposizione dei suoi atomi, che formano una struttura cristallina periodica. Alla nanoscala, disposizioni che rompono questa struttura periodica possono alterare drasticamente il comportamento del materiale, ma questo è difficile da misurare. I recenti progressi degli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) stanno iniziando a svelare questo mistero.

Utilizzando lo scattering di raggi X di neutroni e sincrotrone all'avanguardia, Gli scienziati di Argonne e i loro collaboratori stanno aiutando a rispondere a domande annose su una classe di materiali tecnologicamente importanti chiamati ferroelettrici relaxor, che sono spesso a base di piombo. Questi materiali hanno proprietà meccaniche ed elettriche utili in applicazioni come sonar e ultrasuoni. Più gli scienziati capiscono la struttura interna dei ferroelettrici relaxor, i migliori materiali che possiamo sviluppare per queste e altre applicazioni.

Le costanti dielettriche dei ferroelettrici relaxor, che esprimono la loro capacità di immagazzinare energia in un campo elettrico, hanno una dipendenza insolita dalla frequenza del campo. La sua origine è stata a lungo un mistero per gli scienziati. I ferroelettrici Relaxor possono anche avere proprietà piezoelettriche estremamente elevate, il che significa che quando sollecitati meccanicamente sviluppano un campo elettrico interno, o, al contrario, si espandono o si contraggono in presenza di un campo elettrico esterno. Queste proprietà rendono i ferroelettrici relaxor utili nelle tecnologie in cui l'energia deve essere convertita tra meccanica ed elettrica.

Perché il piombo è tossico, gli scienziati stanno cercando di sviluppare materiali non a base di piombo che possano funzionare anche meglio dei ferroelettrici a base di piombo. Per sviluppare questi materiali, gli scienziati stanno prima cercando di scoprire quali aspetti della struttura cristallina del ferroelettrico relaxor causano le sue proprietà uniche. Nonostante la struttura sia mediamente ordinata e prevedibile, deviazioni da questo ordine possono verificarsi a livello locale, o livello su scala nanometrica. Queste interruzioni nella simmetria a lungo raggio della struttura complessiva svolgono un ruolo cruciale nel determinare le proprietà del materiale.

"Comprendiamo molto bene l'ordine a lungo raggio, ma per questo esperimento abbiamo sviluppato nuovi strumenti e metodi per studiare l'ordine locale, ", ha detto il fisico senior di Argonne Stephan Rosenkranz.

Scienziati di Argonne e del National Institute of Standards and Technology, insieme ai suoi collaboratori, studiato una serie di ferroelettrici a base di piombo con diversi ordini locali, e quindi proprietà diverse. Utilizzando una nuova strumentazione progettata dagli scienziati di Argonne in grado di fornire una misurazione molto più ampia e dettagliata rispetto agli strumenti precedenti, il team ha studiato la diffusione diffusa dei materiali, o come le deviazioni locali nella struttura influenzino il modello di dispersione altrimenti più ordinato.

Precedenti ricercatori hanno identificato un certo modello di diffusione diffusa, che prende la forma di una farfalla, e lo associò alle proprietà dielettriche anomale dei ferroelettrici relaxor. Quando gli scienziati di Argonne hanno analizzato i loro dati sperimentali, però, hanno scoperto che la dispersione a forma di farfalla era fortemente correlata al comportamento piezoelettrico.

"Ora possiamo pensare a quale tipo di ordine locale causa questa dispersione di farfalle, e come possiamo progettare materiali che abbiano le stesse caratteristiche strutturali che danno origine a questo effetto, ", ha detto il fisico di Argonne Danny Phelan.

Quanto alla vera causa delle proprietà dielettriche anomale, gli scienziati propongono che derivi da interazioni concorrenti che portano alla "frustrazione" nel materiale.

Le nuove scoperte derivano dall'uso da parte degli scienziati sia della diffusione dei neutroni che della diffusione dei raggi X. "C'è una complementarietà inestimabile nell'uso di entrambe queste tecniche, " disse Phelan. "Usare l'uno o l'altro non ti dà il quadro completo."

Gli scienziati utilizzeranno queste scoperte per informare i modelli di ferroelettrici relaxor che vengono utilizzati per sviluppare nuovi materiali. Esperimenti futuri illumineranno ulteriormente la relazione tra ordine locale e proprietà dei materiali.