I materiali noti come ferroelettrici relaxor hanno svolto un ruolo importante per decenni in tecnologie come l’imaging a ultrasuoni, i microfoni e il sonar. Le loro prestazioni insolite derivano dal modo in cui gli atomi sono disposti al loro interno. Tuttavia, questa struttura interna si è rivelata estremamente difficile da misurare direttamente, costringendo gli scienziati a fare affidamento su modelli incompleti.
Ora, i ricercatori del MIT e di istituzioni collaboratrici hanno mappato per la prima volta la struttura atomica tridimensionale di un materiale ferroelettrico relaxor. I loro risultati, che saranno pubblicati su Science , offrono una base più chiara per migliorare i modelli utilizzati per progettare futuri sistemi informatici, dispositivi energetici e sensori avanzati.
“Ora che abbiamo una migliore comprensione di ciò che accade esattamente, possiamo prevedere e progettare con maggiore precisione le proprietà che vogliamo che i materiali raggiungano”, afferma l’autore corrispondente James LeBeau, professore di scienza e ingegneria dei materiali presso il MIT. “La comunità scientifica sta ancora sviluppando metodi per progettare questi materiali, ma per prevedere le proprietà che avranno, è necessario sapere se il modello è corretto.”
Svelare i modelli di carica nascosti nei materiali complessi
Nello studio, il team ha utilizzato un metodo di imaging all’avanguardia per esaminare la distribuzione delle cariche elettriche all’interno del materiale. I risultati ottenuti hanno messo in discussione le ipotesi precedenti.
“Ci siamo resi conto che il disordine chimico osservato nei nostri esperimenti non era stato preso in considerazione a fondo in precedenza”, affermano i co-primi autori Michael Xu PhD ’25 e Menglin Zhu, entrambi postdoc al MIT. “Collaborando con i nostri colleghi, siamo stati in grado di unire le osservazioni sperimentali con le simulazioni per affinare i modelli e prevedere meglio ciò che osserviamo negli esperimenti.”
Il team di ricerca comprendeva anche Colin Gilgenbach e Bridget R. Denzer, dottorandi in scienza e ingegneria dei materiali presso il MIT; Yubo Qi, professore assistente presso l’Università dell’Alabama a Birmingham; Jieun Kim, professoressa assistente presso il Korea Advanced Institute of Science and Technology; Jiahao Zhang, ex dottorando presso l’Università della Pennsylvania; Lane W. Martin, professore presso la Rice University; e Andrew M. Rappe, professore presso l’Università della Pennsylvania.
Indagine sui materiali disordinati su scala atomica
I modelli computerizzati suggeriscono da tempo che, quando un campo elettrico viene applicato ai materiali ferroelettrici relaxor, le interazioni tra atomi caricati positivamente e negativamente all’interno di regioni minuscole contribuiscono a creare le loro elevate capacità di accumulo e rilevamento di energia. Fino ad ora, queste regioni su scala nanometrica non potevano essere osservate direttamente.
Per approfondire la questione, i ricercatori si sono concentrati su un materiale ampiamente utilizzato in sensori, attuatori e sistemi di difesa: una lega di niobato di piombo e magnesio e titanato di piombo. Hanno applicato una tecnica avanzata chiamata ptychografia elettronica multistrato (MEP). Questo metodo prevede la scansione del materiale con un fascio di elettroni ad alta energia su scala nanometrica e la registrazione dei modelli di diffrazione risultanti.
“Procediamo in modo sequenziale e, in ogni posizione, acquisiamo un modello di diffrazione”, spiega Zhu. “Questo crea regioni di sovrapposizione, e tale sovrapposizione contiene informazioni sufficienti per utilizzare un algoritmo che ricostruisca iterativamente le informazioni tridimensionali sull’oggetto e sulla funzione d’onda dell’elettrone.”
Utilizzando questo approccio, il team ha scoperto una gerarchia stratificata di strutture chimiche e polari, che si estende dai singoli atomi fino a elementi mesoscopici più grandi. Hanno anche scoperto che le regioni con diversa polarizzazione erano significativamente più piccole di quanto previsto dalle simulazioni precedenti. Incorporando queste osservazioni nei loro modelli, i ricercatori sono stati in grado di migliorare la corrispondenza tra le simulazioni e il comportamento nel mondo reale.
“In precedenza, questi modelli presentavano sostanzialmente regioni di polarizzazione casuali, ma non spiegavano come queste regioni fossero correlate tra loro”, afferma Xu. “Ora possiamo fornire queste informazioni e osservare come le singole specie chimiche modulano la polarizzazione a seconda dello stato di carica degli atomi.”
Verso materiali migliori per le tecnologie del futuro.
Secondo Zhu, i risultati evidenziano la crescente potenzialità della pticografia elettronica nell’esplorazione di materiali complessi e disordinati e potrebbero aprire la strada a nuove linee di ricerca.
“Questo studio rappresenta la prima volta, utilizzando il microscopio elettronico, in cui siamo riusciti a collegare direttamente la struttura polare tridimensionale dei materiali ferroelettrici relaxor con i calcoli di dinamica molecolare”, afferma Xu. “Dimostra inoltre che è possibile ottenere informazioni tridimensionali dal campione utilizzando questa tecnica.”
Il team ritiene che questo metodo potrebbe in futuro aiutare gli scienziati a progettare materiali con proprietà elettroniche su misura, migliorando tecnologie come la memorizzazione dei dati, i sistemi di rilevamento e i dispositivi energetici.
“La scienza dei materiali sta integrando una maggiore complessità nel processo di progettazione dei materiali, sia per le leghe metalliche che per i semiconduttori, grazie al miglioramento dell’intelligenza artificiale e al perfezionamento dei nostri strumenti computazionali”, afferma LeBeau. “Ma se i nostri modelli non sono sufficientemente accurati e non abbiamo modo di convalidarli, è come se i dati in ingresso fossero errati, ma anche i risultati sarebbero errati. Questa tecnica ci aiuta a capire perché il materiale si comporta in un certo modo e a convalidare i nostri modelli.”
La ricerca è stata parzialmente finanziata dal Laboratorio di ricerca dell’esercito statunitense, dall’Ufficio di ricerca navale statunitense, dal Dipartimento della Guerra statunitense e da una borsa di studio nazionale per laureati in scienze. Il lavoro si è avvalso anche delle strutture del MIT.nano.
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