Capire dove e come avvengono le transizioni di fase è fondamentale per lo sviluppo di nuove generazioni dei materiali utilizzati nelle batterie ad alte prestazioni, sensori, dispositivi per la raccolta di energia, apparecchiature diagnostiche mediche e altre applicazioni. Ma fino ad ora non c'era un buon modo per studiare e contemporaneamente mappare questi fenomeni alle scale di lunghezza pertinenti.

Ora, i ricercatori del Georgia Institute of Technology e dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hanno sviluppato una nuova tecnica non distruttiva per studiare questi cambiamenti materiali esaminando la risposta acustica su scala nanometrica. Le informazioni ottenute da questa tecnica, che utilizza sonde per microscopio a forza atomica (AFM) elettricamente conduttive, potrebbero guidare gli sforzi per progettare materiali con proprietà migliorate su scale di piccole dimensioni.

L'approccio è stato utilizzato nei materiali ferroelettrici, ma potrebbe avere applicazioni anche nei ferroelastici, acidi protonici solidi e materiali noti come rilassanti. Sponsorizzato dalla National Science Foundation e dall'Office of Science del Dipartimento di Energia, la ricerca è stata riportata il 15 dicembre sulla rivista Materiali funzionali avanzati .

"Abbiamo sviluppato una nuova tecnica di caratterizzazione che ci consente di studiare i cambiamenti nella struttura cristallina e i cambiamenti nel comportamento dei materiali su scale di lunghezza sostanzialmente più piccole con un approccio relativamente semplice, " disse Nazanin Bassiri-Gharb, professore associato presso la Woodruff School of Mechanical Engineering della Georgia Tech. "Sapere dove avvengono queste transizioni di fase e a quale scala di lunghezza può aiutarci a progettare materiali di prossima generazione".

In materiali ferroelettrici come PZT (titanato di zirconato di piombo), transizioni di fase possono verificarsi ai confini tra un tipo di cristallo e un altro, sotto stimoli esterni. Proprietà come gli effetti piezoelettrici e dielettrici possono essere amplificati ai bordi, che sono causati dalla "chimica confusa" multi-elemento dei materiali. Determinare quando si verificano queste transizioni può essere effettuato in materiali sfusi utilizzando varie tecniche, e alle scale più piccole utilizzando un microscopio elettronico.

I ricercatori si sono resi conto che potevano rilevare queste transizioni di fase utilizzando tecniche acustiche in campioni su scale di dimensioni comprese tra la massa e decine di atomi. Utilizzando tecniche di microscopia a forza di piezorisposta a eccitazione di banda (BE-PFM) sviluppate all'ORNL, hanno analizzato i cambiamenti risultanti nelle frequenze di risonanza per rilevare i cambiamenti di fase nelle dimensioni dei campioni rilevanti per le applicazioni del materiale. Fare quello, hanno applicato un campo elettrico ai campioni usando una punta AFM che era stata rivestita di platino per renderlo conduttivo, e attraverso la generazione e il rilevamento di una banda di frequenze.

"Abbiamo avuto ottime tecniche per caratterizzare questi cambiamenti di fase su larga scala, e siamo stati in grado di usare la microscopia elettronica per capire quasi atomisticamente dove avviene la transizione di fase, ma fino a quando questa tecnica non fu sviluppata, non avevamo niente in mezzo, " ha detto Bassiri-Gharb. "Per influenzare la struttura di questi materiali attraverso mezzi chimici o di altro tipo, avevamo davvero bisogno di sapere dove si interrompe la transizione, e in quale scala di lunghezza ciò si verifica. Questa tecnica colma una lacuna nella nostra conoscenza".

I cambiamenti che i ricercatori rilevano acusticamente sono dovuti alle proprietà elastiche dei materiali, quindi praticamente qualsiasi materiale con cambiamenti simili nelle proprietà elastiche potrebbe essere studiato in questo modo. Bassiri-Gharb è interessata a ferroelettrici come PZT, ma i materiali utilizzati nelle celle a combustibile, batterie, anche i trasduttori e i dispositivi di raccolta dell'energia potrebbero essere esaminati in questo modo.

"Questo nuovo metodo consentirà una visione molto più ampia dei materiali per la raccolta e la trasduzione dell'energia alle vendite di lunghezza pertinente, " ha osservato Rama Vasudeven, il primo autore dell'articolo e scienziato dei materiali presso il Center for Nanophase Materials Sciences, una struttura utente del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti presso l'ORNL.

I ricercatori hanno anche modellato i materiali ferroelettrici relaxor utilizzando metodi termodinamici, che ha sostenuto l'esistenza di una transizione di fase e l'evoluzione di un modello di dominio complesso, in accordo con i risultati sperimentali.

L'uso della tecnica basata su AFM offre una serie di caratteristiche interessanti. I laboratori che già utilizzano apparecchiature AFM possono modificarle facilmente per analizzare questi materiali aggiungendo componenti elettronici e una punta conduttiva della sonda, Osserva Bassiri-Gharb. L'apparecchiatura AFM può essere utilizzata in un intervallo di temperatura, campo elettrico e altre condizioni ambientali che non sono facilmente implementabili per l'analisi al microscopio elettronico, consentendo agli scienziati di studiare questi materiali in condizioni operative realistiche.

"Questa tecnica può sondare una gamma di materiali diversi su piccola scala e in condizioni ambientali difficili che altrimenti sarebbero inaccessibili, " ha affermato Bassiri-Gharb. "I materiali utilizzati nelle applicazioni energetiche subiscono questo tipo di condizioni, e la nostra tecnica può fornire le informazioni di cui abbiamo bisogno per progettare materiali con risposte avanzate".

Sebbene ampiamente utilizzato, relaxor-ferroelectrics e PZT non sono ancora ben compresi. In relaxor-ferroelettrici, Per esempio, si ritiene che vi siano sacche di materiale in fasi diverse dalla massa, una distorsione che può contribuire a conferire le proprietà attraenti del materiale. Usando la loro tecnica, i ricercatori hanno confermato che le transizioni di fase possono essere estremamente localizzate. Hanno anche appreso che in quegli stessi luoghi si sono verificate risposte elevate dei materiali.

I prossimi passi includeranno la variazione della composizione chimica del materiale per vedere se tali transizioni - e proprietà migliorate - possono essere controllate. I ricercatori hanno anche in programma di esaminare altri materiali.

"Si scopre che molti materiali legati all'energia hanno transizioni elettriche, quindi pensiamo che questo sarà molto importante per lo studio dei materiali funzionali in generale, " ha aggiunto Bassiri-Gharb. "Il potenziale per acquisire nuove conoscenze su questi materiali e le loro applicazioni è enorme".