Cientistas do MIT finalmente revelam a estrutura oculta de um misterioso material de alta tecnologia
Materiais conhecidos como ferroelétricos relaxantes têm desempenhado um papel importante há décadas em tecnologias como imagens de ultrassom, microfones e sonar. Seu desempenho incomum vem da maneira como os átomos estão dispostos dentro deles. No entanto, essa estrutura interna tem sido extremamente difícil de medir diretamente, deixando os cientistas dependentes de modelos incompletos.
Agora, pesquisadores do MIT e de instituições colaboradoras mapearam, pela primeira vez, a estrutura atômica tridimensional de um ferroelétrico relaxante. Seus resultados, a serem 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 os materiais alcancem”, diz o autor correspondente James LeBeau, professor de Ciência e Engenharia de Materiais da Kyocera no MIT. “A comunidade de pesquisa ainda está desenvolvendo métodos para projetar esses materiais, mas para prever as propriedades que esses materiais terão, é preciso saber se o seu modelo está correto.”
Revelando padrões de carga ocultos em materiais complexos
No estudo, a equipe usou um método de imagem de última geração para examinar como as cargas elétricas são distribuídas por todo o material. O que eles encontraram desafiou suposições anteriores.
“Percebemos que a desordem química que observamos em nossos experimentos não foi totalmente considerada anteriormente”, dizem os co-autores Michael Xu PhD ’25 e Menglin Zhu, ambos pós-doutorados no MIT. “Trabalhando com nossos colaboradores, conseguimos fundir as 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. Denzer, estudantes de doutorado do MIT em ciência e engenharia de materiais; Yubo Qi, professor assistente da Universidade do Alabama em Birmingham; Jieun Kim, professora assistente do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia; Jiahao Zhang, ex-aluno de doutorado da Universidade da Pensilvânia; Lane W. Martin, professor da Rice University; e Andrew M. Rappe, professor da Universidade da Pensilvânia.
Sondagem de 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 em regiões minúsculas ajudam a criar seu forte armazenamento de energia e habilidades de detecção. Até agora, essas regiões em nanoescala não podiam ser observadas diretamente.
Para investigar mais, os pesquisadores se concentraram em um material amplamente utilizado encontrado em sensores, atuadores e sistemas de defesa, uma liga de niobato de chumbo e titanato de chumbo. Eles aplicaram uma técnica avançada chamada pticografia eletrônica multi-slice (MEP). Este método envolve a varredura de um feixe de elétrons de alta energia em nanoescala através do material e o registro dos padrões de difração resultantes.
“Fazemos isso de forma sequencial e, em cada posição, adquirimos um padrão de difração”, explica Zhu. “Isso cria regiões de sobreposição, e essa sobreposição tem informações suficientes 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 em camadas de estruturas químicas e polares, estendendo-se desde átomos individuais até características mesoscópicas maiores. Eles também descobriram que regiões com polarizações diferentes eram significativamente menores do que as simulações anteriores haviam previsto. Ao incorporar essas observações em seus modelos, os pesquisadores conseguiram melhorar a forma como as simulações correspondem ao comportamento do mundo real.
“Anteriormente, esses modelos tinham basicamente regiões aleatórias de polarização, mas não informavam como essas regiões se correlacionavam”, diz Xu. “Agora podemos fornecer essa informação e ver como as espécies químicas individuais modulam a polarização dependendo do estado de carga dos átomos.”
Rumo a melhores materiais para tecnologias futuras
De acordo com Zhu, as descobertas destacam o poder crescente da pticografia eletrônica para explorar materiais complexos e desordenados e podem levar a novas linhas de pesquisa.
“Este estudo é a primeira vez no microscópio eletrônico que conseguimos conectar diretamente a estrutura polar tridimensional dos ferroelétricos relaxantes com cálculos de dinâmica molecular”, diz Xu. “Isso prova ainda que é possível obter informações tridimensionais da amostra usando esta técnica.”
A equipe acredita que este 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 está incorporando mais complexidade no processo de design de materiais – seja para ligas metálicas ou semicondutores – à medida que a IA melhorou e nossas ferramentas computacionais se tornaram mais avançadas”, diz LeBeau. “Mas se nossos modelos não forem precisos o suficiente e não tivermos como validá-los, é lixo dentro de lixo. Essa técnica nos ajuda a entender por que o material se comporta dessa maneira e a validar 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 pós-graduação em ciências. O trabalho também utilizou recursos do MIT.nano.
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