La fina estructura de la titanita de bario, una alternativa potencial a la titanita de plomo, ha sido revelado por investigadores que emplean una técnica novedosa durante el período de tiempo extremadamente corto en el que ocurren los fenómenos ferroeléctricos experimentados por estos materiales. La investigación debe ayudar a explorar más a fondo cómo reemplazar el titanato de plomo con otros materiales, de modo que pueda disfrutarse de su aplicabilidad generalizada evitando su papel en la contaminación por plomo.

Los investigadores de Japón han utilizado una novela, técnica ultrarrápida para explorar la estructura fina de un material alternativo potencial al titanato de plomo, un material ferroeléctrico ampliamente utilizado para sensores en muchos dispositivos cotidianos. Comprender esta estructura nos acerca un paso más a la eliminación de estas fuentes restantes de contaminación por plomo.

El estudio apareció en la revista de ciencia de materiales. Acta Materialia el 21 de enero.

Los materiales ferroeléctricos se utilizan en una amplia gama de aplicaciones prácticas, desde condensadores hasta celdas de memoria, ultrasonido médico para almacenamiento de datos y pantallas. Estos materiales tienen una polarización espontánea, o dirección, de sus electrones que se pueden cambiar de un lado a otro mediante la aplicación de un campo eléctrico, llamado ferroelectricidad.

En todo el mundo, la sociedad reconoce cada vez más la necesidad de reducir la contaminación de todas las actividades y dispositivos, pero para avanzar en este objetivo, Primero debe lograrse una comprensión aún más profunda de la estructura de muchos materiales que se utilizan actualmente. Entre la gran familia de diversos materiales ferroeléctricos, El titanato de plomo se usa comúnmente en sensores que miden la presión, aceleración, temperatura, cepa, o forzar una serie de dispositivos comunes. Desde hace mucho tiempo se ha demostrado que la contaminación por plomo es tremendamente dañina para el cerebro humano, y aunque la mayoría de las jurisdicciones han prohibido el plomo en la pintura y la gasolina, la búsqueda para desarrollar materiales alternativos para tales dispositivos aún no se ha completado.

Se han realizado algunas investigaciones sobre titanatos de perovskita, una familia de materiales ferroeléctricos que combinan óxido de titanio (TiO) con plomo, bario, estroncio o calcio. El prefijo de perovskita simplemente describe la estructura cristalina, cada uno de los cuales comparten los miembros de la familia. Una estructura de cristal común, a su vez, significa que el plomo podría potencialmente ser sustituido por el bario menos amenazador para el medio ambiente (debido a que sus iones tienen un tamaño y carga similares).

Esta investigación anterior había identificado un vínculo claro entre la hibridación de los orbitales electrónicos de los diferentes átomos constituyentes del titanato de perovskita y sus propiedades ferroeléctricas.

"Por lo tanto, el siguiente paso fue lograr de alguna manera la observación directa del estado de estos electrones a medida que se aplicaba el campo eléctrico, "dice Nobuo Nakajima, de la Escuela de Graduados en Ciencias e Ingeniería Avanzadas de la Universidad de Hiroshima, coautor del estudio. "Esto requirió observaciones ultrarrápidas".

Entonces, el equipo combinó la espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) con un enfoque de resolución temporal. XAS implica la interacción de un rayo X con los electrones del núcleo profundo de un átomo en lugar de sus electrones externos (o de valencia). La medición de esta interacción permite la descripción de la estructura fina del material. Un enfoque resuelto en el tiempo implica el uso de esta técnica para estudiar los cambios dinámicos en el material en el tipo de escalas de tiempo extremadamente cortas en las que ocurren fenómenos como la inversión de polarización ferroeléctrica. Permite a los investigadores detectar los más mínimos cambios en los espectros y estados electrónicos bajo campos eléctricos. La combinación de las dos técnicas se realizó por primera vez, sobre titanato de bario.

Los investigadores encontraron que además de la hibridación orbital entre titanio y oxígeno que ya se había identificado, Se observó un efecto similar entre el bario y el estado de los electrones de titanio. Esto también contribuyó a la inversión de polarización en titanato de bario.

Esperan que su nueva técnica aplicada a un titanato de perovskita paralelo pueda proporcionar pistas sobre lo que describen como la "naturaleza oculta" del titanato de plomo. y acercar al mundo un paso más hacia la eliminación de la contaminación por plomo.