I policristalli sono materiali solidi formati da tanti piccoli cristalli. I punti in cui i cristalli si incontrano sono noti come bordi di grano (GB). I GB sono importanti perché possono influenzare il modo in cui si comporta il solido. Tuttavia, le tecniche di analisi convenzionali non sono in grado di misurare i dettagli su scala nanometrica a GB. Ora, i ricercatori dell'Istituto di scienze industriali dell'Università di Tokyo hanno utilizzato la spettroscopia di perdita di energia elettronica (EELS) per studiare l'effetto del riscaldamento sui GB del titanato di stronzio (SrTiO₃ ). I loro risultati sono pubblicati in Nano Letters .

I GB influenzano il modo in cui gli ioni si muovono attraverso un materiale, il modo in cui conduce e reagisce al calore e il modo in cui risponde quando vengono applicate forze. Svolgono quindi un ruolo importante nel decidere se un materiale è adatto a uno scopo particolare.

Il coefficiente di dilatazione termica (CTE) indica come cambia la dimensione di un materiale quando viene riscaldato. Se questo è diverso intorno ai GB rispetto alla maggior parte di un materiale, possono formarsi delle crepe. Ciò può portare a guasti su larga scala, che possono avere gravi implicazioni per la struttura o il processo in cui è stato utilizzato il materiale.

Le tecniche convenzionalmente utilizzate per studiare l'espansione termica locale non hanno la risoluzione su scala nanometrica richiesta per misurare direttamente l'espansione attorno ai GB. I ricercatori hanno quindi utilizzato l'EELS con la microscopia elettronica a scansione per migliorare la risoluzione.

"Abbiamo esaminato l'espansione termica attorno a due diversi GB in SrTiO₃ —uno in cui i grani si incontravano con un angolo di 36,8° (che ha il nome particolare S5) e un altro dove si incontravano a 45°", spiega il primo autore dello studio Kunyen Liao. "In particolare, abbiamo studiato come il CTE cambiasse perpendicolarmente a questi GB quando la temperatura è stata aumentata nell'intervallo 100–700°C."

Si è riscontrato che il CTE perpendicolare all'S5 GB era 3 volte quello dell'espansione nel bulk, mentre quello perpendicolare ai 45° GB era solo 1,4 volte maggiore. I risultati forniscono prove direttamente misurate che i GB migliorano il CTE, il che ha importanti implicazioni per la scelta di materiali specifici per l'applicazione.

"Oltre a rivelare la variazione delle proprietà termodinamiche a diversi GB in SrTiO₃ , i nostri risultati dimostrano il potenziale dell'EELS nel fornire dettagli su scala nanometrica delle proprietà locali", afferma l'autore dello studio Teruyasu Mizoguchi. "Ci auguriamo che il nostro studio fornisca un mezzo per stabilire le proprietà termiche locali di una gamma di materiali diversi e aiuti la selezione processo per molti prodotti, dai componenti automobilistici all'elettronica." + Esplora ulteriormente

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