Gli atomi in un materiale creato dall'uomo, ossido di ferro bismuto (BiFeO3, o BFO), composto da bismuto (palline blu), il ferro (sfere rosse) e l'ossigeno (sfere verdi) possono essere spostati avanti e indietro tra una disposizione romboedrica cubica (R) e una disposizione a prisma rettangolare o tetragonale (T) applicando una tensione elettrica locale. I ricercatori hanno utilizzato un microscopio a forza atomica per indurre e rilevare questo cambiamento strutturale nei volumi microscopici misurando un cambiamento nella rigidità del materiale. Questo è, il materiale diventa più morbido quando viene allungato dalla struttura romboedrica a quella tetragonale. Il controllo della rigidità dei materiali è importante per la sua funzione in dispositivi come microfoni, attuatori, interruttori, e sensori. Credito:Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
Usando un ago molto più sottile di un capello umano, gli scienziati hanno rivelato come controllare la rigidità meccanica in un materiale promettente. Il team ha applicato un campo elettrico con un ago di dimensioni nanometriche per provocare un cambiamento reversibile nella disposizione degli atomi nel materiale. Questo cambiamento è una transizione di fase. Il team ha riconfigurato il microscopio a forza atomica utilizzato per misurare il cambiamento risultante nelle proprietà meccaniche del materiale, con un cambiamento fino al 30%.
La capacità di controllare e misurare le proprietà meccaniche potrebbe portare a materiali promettenti per l'acustica avanzata (ad esempio, microfoni) e dispositivi a microonde. Anche, gli scienziati potrebbero usare questa nuova tecnica per rivelare nuove regole fisiche per le transizioni nella struttura atomica di un materiale. Gli scienziati potrebbero applicare queste regole per identificare nuovi materiali per attuatori, interruttori, sensori di campo magnetico, e memoria del computer.
Quando un materiale subisce un cambiamento di fase, la sua struttura atomica è riorientata, e molte proprietà fondamentali dei materiali possono essere alterate, inclusa la rigidità meccanica. Ciò significa che il materiale può diventare più duro o più morbido, che è una considerazione importante per le applicazioni che utilizzano le vibrazioni dei materiali come sensori o altri materiali elettronici. Tradizionalmente, gli scienziati hanno studiato i cambiamenti di fase e le proprietà meccaniche con la diffusione dei neutroni e le prove meccaniche; Sfortunatamente, queste tecniche non possono misurare le risposte di questi materiali su scala nanometrica. In definitiva, la microstruttura su scala nanometrica e la funzionalità risultante devono essere comprese per spiegare e migliorare le prestazioni del dispositivo.
I ricercatori guidati dall'Oak Ridge National Laboratory hanno utilizzato una tecnica di microscopia a forza atomica (AFM) per rivelare i cambiamenti indotti dalla tensione nella rigidità del materiale in uno dei materiali multifunzionali più studiati:l'ossido di ferro bismuto (BiFeO3). L'uso di una tecnica AFM multifrequenza consente l'applicazione di una tensione su scale di lunghezza nanometriche e trova una transizione di fase come origine per la variazione della rigidità del materiale. Sotto una tensione applicata, è stata trovata la sintonizzabilità della rigidità gigante. Questo è, la rigidità del materiale è cambiata in modo reversibile di oltre il 30 percento, un cambiamento piuttosto drammatico per questi materiali. L'accoppiamento con la modellazione ha consentito una comprensione più dettagliata del fenomeno osservato quando il materiale diventa più morbido sotto una tensione applicata. Questa scoperta e la comprensione dettagliata dei processi su scala nanometrica potrebbero avere applicazioni in dispositivi avanzati, da microfoni ad alte prestazioni a nuovi tipi di memoria elettronica, nonché nuove tecniche di imaging per sondare la fisica relativa alle transizioni dei materiali.
