Las propiedades de un sólido dependen de la disposición de sus átomos, que forman una estructura cristalina periódica. A nanoescala, Los arreglos que rompen esta estructura periódica pueden alterar drásticamente el comportamiento del material, pero esto es difícil de medir. Los avances recientes de los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) están comenzando a desentrañar este misterio.

Usando dispersión de rayos X de neutrones y sincrotrones de última generación, Los científicos de Argonne y sus colaboradores están ayudando a responder preguntas de larga data sobre una clase de materiales tecnológicamente importantes llamados relajantes ferroeléctricos. que a menudo se basan en clientes potenciales. Estos materiales tienen propiedades mecánicas y eléctricas que son útiles en aplicaciones como sonar y ultrasonido. Cuanto más comprendan los científicos acerca de la estructura interna de los ferroeléctricos relajantes, los mejores materiales que podamos desarrollar para estas y otras aplicaciones.

Las constantes dieléctricas de los ferroeléctricos relajantes, que expresan su capacidad para almacenar energía cuando están en un campo eléctrico, tienen una dependencia inusual de la frecuencia del campo. Su origen ha sido durante mucho tiempo un misterio para los científicos. Los ferroeléctricos relajantes también pueden tener propiedades piezoeléctricas extremadamente altas, lo que significa que cuando se tensan mecánicamente desarrollan un campo eléctrico interno, o, en cambio, se expanden o contraen en presencia de un campo eléctrico externo. Estas propiedades hacen que los ferroeléctricos relajantes sean útiles en tecnologías donde la energía debe convertirse entre mecánica y eléctrica.

Porque el plomo es tóxico, Los científicos están tratando de desarrollar materiales sin plomo que puedan funcionar incluso mejor que los ferroeléctricos a base de plomo. Para desarrollar estos materiales, Los científicos primero están tratando de descubrir qué aspectos de la estructura cristalina del relajante ferroeléctrico causan sus propiedades únicas. Aunque la estructura es ordenada y predecible en promedio, las desviaciones de este orden pueden ocurrir en un local, o nivel de nanoescala. Estas rupturas en la simetría de largo alcance de la estructura general juegan un papel crucial en la determinación de las propiedades del material.

"Entendemos muy bien el orden de largo alcance, pero para este experimento desarrollamos herramientas y métodos novedosos para estudiar el orden local, ", dijo el físico senior de Argonne, Stephan Rosenkranz.

Científicos de Argonne y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, junto a sus colaboradores, estudió una serie de ferroeléctricos a base de plomo con diferentes órdenes locales, y por tanto diferentes propiedades. Usando nueva instrumentación diseñada por científicos de Argonne que es capaz de proporcionar una medición mucho más grande y detallada que los instrumentos anteriores, el equipo estudió la dispersión difusa de los materiales, o cómo las desviaciones locales en la estructura afectan el patrón de dispersión, que de otro modo sería más ordenado.

Investigadores anteriores han identificado un cierto patrón de dispersión difusa, que toma la forma de una mariposa, y lo asoció con las propiedades dieléctricas anómalas de los ferroeléctricos relajantes. Cuando los científicos de Argonne analizaron sus datos experimentales, sin embargo, encontraron que la dispersión en forma de mariposa estaba fuertemente correlacionada con el comportamiento piezoeléctrico.

"Ahora podemos pensar en qué tipo de orden local provoca la dispersión de esta mariposa, y cómo podemos diseñar materiales que tengan las mismas características estructurales que dan lugar a este efecto, "dijo el físico de Argonne Danny Phelan.

En cuanto a la causa real de las propiedades dieléctricas anómalas, los científicos proponen que surge de interacciones competitivas que conducen a la "frustración" en el material.

Los nuevos descubrimientos se derivaron del uso de los científicos tanto de la dispersión de neutrones como de la dispersión de rayos X. "Existe una valiosa complementariedad en el uso de estas dos técnicas, "dijo Phelan." Usar uno u otro no te da la imagen completa ".

Los científicos utilizarán estos descubrimientos para informar modelos de ferroeléctricos relajantes que se utilizan para desarrollar nuevos materiales. Los experimentos futuros iluminarán aún más la relación entre el orden local y las propiedades de los materiales.