Los materiales conocidos como relaxores ferroeléctricos han sido utilizados durante décadas en tecnologías como ultrasonidos, micrófonos y sistemas de sonar. Las propiedades únicas de estos materiales provienen de su estructura atómica, la cual ha sido difícil de medir directamente.
Un equipo de investigadores del MIT y otras instituciones ha logrado caracterizar por primera vez la estructura atómica tridimensional de un relaxor ferroeléctrico. Los hallazgos, reportados en Science, ofrecen un marco para mejorar los modelos utilizados en el diseño de dispositivos de computación, energía y sensores de próxima generación.
Avances en la investigación de relaxores ferroeléctricos
“Ahora que entendemos mejor lo que ocurre, podemos predecir y diseñar mejor las propiedades que queremos que alcancen los materiales”, comenta James LeBeau, profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales en el MIT. “La comunidad de investigación sigue desarrollando métodos para diseñar estos materiales, pero para predecir sus propiedades, es fundamental saber si el modelo es correcto.”
En su estudio, los investigadores describen cómo aplicaron una técnica emergente para revelar la distribución de cargas eléctricas en el material, obteniendo un resultado sorprendente.
Colaboraciones y descubrimientos
“Nos dimos cuenta de que el desorden químico observado en nuestros experimentos no había sido completamente considerado anteriormente”, explican Michael Xu y Menglin Zhu, co-primeros autores y ambos postdoctorales en el MIT. “Colaborando con nuestros compañeros, logramos fusionar las observaciones experimentales con simulaciones para afinar los modelos y predecir mejor lo que vemos en los experimentos.”
Junto a Zhu, Xu y LeBeau, también contribuyeron al trabajo Colin Gilgenbach y Bridget R. Denzer, estudiantes de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales en el MIT; Yubo Qi, profesor asistente en la Universidad de Alabama en Birmingham; Jieun Kim, profesor asistente en el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea; Jiahao Zhang, exestudiante de doctorado en la Universidad de Pensilvania; Lane W. Martin, profesor en la Universidad Rice; y Andrew M. Rappe, profesor en la Universidad de Pensilvania.
Investigación sobre materiales desordenados
Las simulaciones líderes de los relaxores ferroeléctricos sugieren que, al aplicar un campo eléctrico, las interacciones entre átomos cargados positiva y negativamente en diferentes nanoregiones del material contribuyen a excepcionales capacidades de almacenamiento de energía y detección. Sin embargo, los detalles de esas nanoregiones han sido imposibles de medir directamente hasta ahora.
Para su artículo en Science, los investigadores estudiaron un material relaxor ferroeléctrico utilizado en sensores, actuadores y sistemas de defensa, que es una aleación de niobato de plomo y titanio de plomo. Emplearon una técnica de medición emergente llamada ptychografía electrónica de múltiples láminas (MEP), donde un probe de electrones de alta energía se mueve sobre el material y se miden los patrones de difracción resultantes.
