Materiais conhecidos como ferroelétricos relaxantes têm desempenhado um papel importante em tecnologias como imagens de ultrassom, microfones e sonares há décadas. Seu trabalho incomum se deve à forma como os átomos estão dispostos dentro deles. No entanto, esta estrutura interna é extremamente difícil de medir diretamente, forçando os cientistas a confiar em modelos incompletos.
Agora, pesquisadores do MIT e de instituições colaboradoras mapearam pela primeira vez a estrutura atômica tridimensional de um ferroelétrico relaxante. Seus resultados serão publicados em Ciênciaoferecem uma base mais clara para melhorar os modelos usados para projetar futuros sistemas de computação, dispositivos de energia e sensores avançados.
“Agora que temos uma melhor compreensão do que exatamente está acontecendo, podemos prever e projetar melhor as propriedades que queremos que o material alcance”, diz o autor correspondente James Lebo, professor de Ciência e Engenharia de Materiais da Kyocera no MIT. “A comunidade científica ainda está desenvolvendo métodos para projetar esses materiais, mas para prever as propriedades desses materiais, é preciso saber se o seu modelo está correto.”
Detecção de cargas ocultas em materiais complexos
No estudo, a equipe utilizou técnicas avançadas de imagem para examinar como as cargas elétricas são distribuídas pelo material. O que eles encontraram desafiou suposições anteriores.
“Percebemos que a desordem química que observamos em nossos experimentos não havia sido totalmente abordada antes”, disseram os coautores Michael Xu, Ph.D. ’25, e Menglin Zhu, ambos estudantes de doutorado no MIT. “Trabalhando com nossos colaboradores, conseguimos combinar observações experimentais com simulações para refinar os modelos e prever melhor o que vemos nos experimentos”.
A equipe de pesquisa também incluiu Colin Gilgenbach e Bridget R. Dentzer, estudantes de pós-graduação do MIT em ciência e engenharia de materiais; Yubo Qi, professor associado da Universidade do Alabama em Birmingham; Jien Kim, Professor Associado, Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia Avançada; Jiahao Zhang, ex-aluno de pós-graduação da Universidade da Pensilvânia; Lane W. Martin, professor da Universidade Rice; e Andrew M. Rappe, professor da Universidade da Pensilvânia.
Explorando materiais desordenados em escala atômica
Modelos de computador há muito sugerem que quando um campo elétrico é aplicado a ferroelétricos relaxantes, as interações entre átomos carregados positiva e negativamente dentro das pequenas regiões ajudam a criar sua forte capacidade de armazenar e sentir energia. Até agora, estas regiões em nanoescala não podiam ser observadas diretamente.
Para estudos mais aprofundados, os pesquisadores se concentraram em um material amplamente utilizado encontrado em sensores, atuadores e sistemas de proteção, uma liga de niobato de magnésio e titanato de chumbo. Eles usaram uma técnica avançada chamada Multilayer Electron Ptychography (MEP). Este método envolve a varredura de um feixe nanométrico de elétrons de alta energia através de um material e o registro dos padrões de difração resultantes.
“Fazemos isso sequencialmente e em cada posição obtemos um padrão de difração”, explica Zhu. “Isso cria regiões de sobreposição, e há informação suficiente nesta sobreposição para usar um algoritmo para reconstruir iterativamente informações tridimensionais sobre o objeto e a função de onda do elétron.”
Usando esta abordagem, a equipe descobriu uma hierarquia de múltiplas camadas de estruturas químicas e polares que se estende desde átomos individuais até estruturas mesoscópicas maiores. Eles também descobriram que as regiões de polarização diferente eram muito menores do que as simulações anteriores haviam previsto. Ao incorporar essas observações em seus modelos, os pesquisadores conseguiram melhorar o quão bem as simulações correspondiam ao comportamento do mundo real.
“Anteriormente, esses modelos tinham basicamente regiões aleatórias de polarização, mas não informavam como essas regiões se correlacionavam entre si”, diz Xu. “Agora podemos comunicar-lhe esta informação e ver como as espécies químicas individuais modulam a polarização dependendo do estado de carga dos átomos.”
Aos melhores materiais para as tecnologias do futuro
De acordo com Zhu, as descobertas destacam o poder crescente da pticografia eletrônica para estudar materiais complexos desordenados e podem levar a novas direções de pesquisa.
“Este estudo é a primeira vez em um microscópio eletrônico que conseguimos conectar diretamente a estrutura polar tridimensional dos relaxantes ferroelétricos com cálculos de dinâmica molecular”, diz Xu. “Isso prova ainda que é possível extrair informações tridimensionais de uma amostra usando este método.”
A equipe acredita que o método poderá eventualmente ajudar os cientistas a projetar materiais com propriedades eletrônicas personalizadas, melhorando tecnologias como armazenamento de memória, sistemas de detecção e dispositivos de energia.
“A ciência dos materiais complica o processo de concepção de materiais – seja para ligas metálicas ou semicondutores – à medida que a inteligência artificial melhora e as nossas ferramentas computacionais se tornam mais sofisticadas”, diz Lebo. “Mas se nossos modelos não forem precisos o suficiente e não tivermos como testá-los, é lixo no lixo. Esse método nos ajuda a entender por que o material se comporta dessa maneira e a testar nossos modelos.”
A pesquisa foi apoiada em parte pelo Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA, pelo Escritório de Pesquisa Naval dos EUA, pelo Departamento de Guerra dos EUA e por uma Bolsa Nacional de Pesquisa de Pós-Graduação. O trabalho também utilizou os recursos do MIT.nano.
