Comprender dónde y cómo ocurren las transiciones de fase es fundamental para desarrollar nuevas generaciones de los materiales utilizados en las baterías de alto rendimiento. sensores, dispositivos de recolección de energía, equipos de diagnóstico médico y otras aplicaciones. Pero hasta ahora no había una buena manera de estudiar y mapear simultáneamente estos fenómenos en las escalas de longitud relevantes.

Ahora, Los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) han desarrollado una nueva técnica no destructiva para investigar estos cambios materiales mediante el examen de la respuesta acústica a nanoescala. La información obtenida de esta técnica, que utiliza sondas de microscopio de fuerza atómica (AFM) conductoras de electricidad, podría orientar los esfuerzos para diseñar materiales con propiedades mejoradas a escalas de tamaño pequeño.

El enfoque se ha utilizado en materiales ferroeléctricos, pero también podría tener aplicaciones en ferroelásticos, ácidos protónicos sólidos y materiales conocidos como relajantes. Patrocinado por la National Science Foundation y la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía, la investigación fue publicada el 15 de diciembre en la revista Materiales funcionales avanzados .

"Hemos desarrollado una nueva técnica de caracterización que nos permite estudiar los cambios en la estructura cristalina y los cambios en el comportamiento de los materiales a escalas de longitud sustancialmente más pequeñas con un enfoque relativamente simple, "dijo Nazanin Bassiri-Gharb, profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Mecánica Woodruff de Georgia Tech. "Saber dónde ocurren estas transiciones de fase y en qué escala de longitud puede ayudarnos a diseñar materiales de próxima generación".

En materiales ferroeléctricos como PZT (titanato de circonato de plomo), las transiciones de fase pueden ocurrir en los límites entre un tipo de cristal y otro, bajo estímulos externos. Propiedades como los efectos piezoeléctricos y dieléctricos pueden amplificarse en los límites, que son causados ​​por la "química confusa" de múltiples elementos de los materiales. La determinación de cuándo ocurren estas transiciones se puede hacer en materiales a granel utilizando varias técnicas, y en las escalas más pequeñas utilizando un microscopio electrónico.

Los investigadores se dieron cuenta de que podían detectar estas transiciones de fase utilizando técnicas acústicas en muestras a escalas de tamaño entre la masa y decenas de átomos. Usando técnicas de microscopía de fuerza de piezrespuesta de excitación de banda (BE-PFM) desarrolladas en ORNL, analizaron los cambios resultantes en las frecuencias de resonancia para detectar cambios de fase en tamaños de muestra relevantes para las aplicaciones del material. Para hacer eso, aplicaron un campo eléctrico a las muestras usando una punta AFM que había sido recubierta con platino para hacerla conductora, ya través de la generación y detección de una banda de frecuencias.

"Hemos tenido muy buenas técnicas para caracterizar estos cambios de fase a gran escala, y hemos podido utilizar la microscopía electrónica para averiguar casi atomísticamente dónde se produce la transición de fase, pero hasta que se desarrolló esta técnica, no teníamos nada en el medio, ", dijo Bassiri-Gharb." Para influir en la estructura de estos materiales a través de medios químicos u otros, realmente necesitábamos saber dónde se rompe la transición, y a qué escala de longitud se produce. Esta técnica llena un vacío en nuestro conocimiento ".

Los cambios que los investigadores detectan acústicamente se deben a las propiedades elásticas de los materiales, por lo que virtualmente cualquier material con cambios similares en propiedades elásticas podría estudiarse de esta manera. Bassiri-Gharb está interesado en ferroeléctricos como PZT, pero los materiales utilizados en las pilas de combustible, baterías Los transductores y los dispositivos de recolección de energía también podrían examinarse de esta manera.

"Este nuevo método permitirá una mayor comprensión de los materiales de captación y transducción de energía en las ventas de longitud relevante, "señaló Rama Vasudeven, el primer autor del artículo y científico de materiales en el Centro de Ciencias de Materiales Nanophase, una instalación para usuarios del Departamento de Energía de EE. UU. en ORNL.

Los investigadores también modelaron los materiales relajantes-ferroeléctricos utilizando métodos termodinámicos, que apoyó la existencia de una transición de fase y la evolución de un patrón de dominio complejo, de acuerdo con los resultados experimentales.

El uso de la técnica basada en AFM ofrece una serie de características atractivas. Los laboratorios que ya utilizan equipos AFM pueden modificarlos fácilmente para analizar estos materiales agregando componentes electrónicos y una punta de sonda conductora. Bassiri-Gharb señaló. El equipo AFM se puede operar bajo un rango de temperatura, campo eléctrico y otras condiciones ambientales que no se implementan fácilmente para el análisis con microscopio electrónico, permitiendo a los científicos estudiar estos materiales en condiciones de funcionamiento realistas.

"Esta técnica puede probar una variedad de materiales diferentes a pequeña escala y en condiciones ambientales difíciles que serían inaccesibles de otra manera, ", dijo Bassiri-Gharb." Los materiales utilizados en aplicaciones energéticas experimentan este tipo de condiciones, y nuestra técnica puede proporcionar la información que necesitamos para diseñar materiales con respuestas mejoradas ".

Aunque ampliamente utilizado, Los relajantes ferroeléctricos y PZT todavía no se comprenden bien. En relajantes ferroeléctricos, por ejemplo, se cree que hay bolsas de material en fases que difieren del grueso, una distorsión que puede ayudar a conferir las propiedades atractivas del material. Usando su técnica, los investigadores confirmaron que las transiciones de fase pueden estar extremadamente localizadas. También se enteraron de que se produjeron altas respuestas de los materiales en esos mismos lugares.

Los siguientes pasos incluirían variar la composición química del material para ver si esas transiciones y propiedades mejoradas se pueden controlar. Los investigadores también planean examinar otros materiales.

"Resulta que muchos materiales relacionados con la energía tienen transiciones eléctricas, por lo que creemos que esto será muy importante para estudiar materiales funcionales en general, Bassiri-Gharb agregó. "El potencial para obtener una nueva comprensión de estos materiales y sus aplicaciones es enorme".