Comprender dónde y cómo ocurren las transiciones de fase es fundamental para desarrollar nuevas generaciones de los materiales utilizados en 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 ymapear 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 al examinar la respuesta acústica a nanoescala. La información obtenida de esta técnica, que utiliza electricidadSondas de microscopio conductivo de fuerza atómica AFM: podrían guiar 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 Ciencia del Departamento de Energía, la investigación se informó el 15 de diciembre enel periódico 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 Woodruff de Georgia TechEscuela de Ingeniería Mecánica: "Saber dónde ocurren estas transiciones de fase y en qué escalas de longitud pueden ayudarnos a diseñar materiales de próxima generación".
En materiales ferroeléctricos como el 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. Las propiedades como los efectos piezoeléctricos y dieléctricos pueden amplificarse en los límites, que son causadospor la "química confusa" de múltiples elementos de los materiales. La determinación de cuándo ocurren estas transiciones se puede hacer en materiales a granel utilizando diversas técnicas, y en las escalas más pequeñas utilizando un microscopio electrónico.
Los investigadores se dieron cuenta de que podían detectar estas transiciones de fase usando técnicas acústicas en muestras a escalas de tamaño entre el volumen y las decenas de átomos. Usando técnicas de microscopía de fuerza de excitación de piezorespuesta de banda BE-PFM desarrolladas en ORNL, analizaron los cambios resultantes enfrecuencias resonantes para detectar cambios de fase en los tamaños de muestra relevantes para las aplicaciones de materiales. Para ello, aplicaron un campo eléctrico a las muestras utilizando una punta AFM que había sido recubierta con platino para hacerla conductiva, y mediante la generación y detección de una bandade frecuencias
"Hemos tenido muy buenas técnicas para caracterizar estos cambios de fase a gran escala, y hemos podido utilizar la microscopía electrónica para descubrir casi atomísticamente dónde ocurre la transición de fase, pero hasta que se desarrolló esta técnica, tuvimosnada intermedio ", 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 ocurre. Esta técnica llena un vacío en nuestroconocimiento."
Los cambios que los investigadores detectan acústicamente se deben a las propiedades elásticas de los materiales, por lo que prácticamente cualquier material con cambios similares en las propiedades elásticas podría estudiarse de esta manera. Bassiri-Gharb está interesado en ferroeléctricos como PZT, pero los materiales utilizados enlas celdas de combustible, baterías, transductores y dispositivos de recolección de energía también podrían examinarse de esta manera.
"Este nuevo método permitirá una visión mucho mayor de la recolección de energía y los materiales de transducción de energía en las ventas por mayor duración", señaló Rama Vasudeven, el primer autor del artículo y científico de materiales en el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos, unInstalación de usuarios del Departamento de Energía de EE. UU. En ORNL.
Los investigadores también modelaron los materiales relajantes-ferroeléctricos utilizando métodos termodinámicos, que respaldaron 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 modificarlo fácilmente para analizar estos materiales agregando componentes electrónicos y una punta de sonda conductora, señaló Bassiri-Gharb. El equipo AFM puede ser operadobajo un rango de temperatura, campo eléctrico y otras condiciones ambientales que no se implementan fácilmente para el análisis con microscopio electrónico, lo que permite a los científicos estudiar estos materiales en condiciones de funcionamiento realistas.
"Esta técnica puede sondear una variedad de materiales diferentes a escalas pequeñas y bajo condiciones ambientales difíciles que de otra forma serían inaccesibles", dijo Bassiri-Gharb. "Los materiales utilizados en aplicaciones de energía experimentan este tipo de condiciones, y nuestra técnica puede proporcionarinformación que necesitamos para diseñar materiales con respuestas mejoradas "
Aunque se usa ampliamente, los relajantes ferroeléctricos y PZT todavía no se comprenden bien. En los relajantes ferroeléctricos, por ejemplo, se cree que hay bolsas de material en fases que difieren del volumen, una distorsión que puede ayudar a conferir el atractivo del materialusando su técnica, los investigadores confirmaron que las transiciones de fase pueden ser extremadamente localizadas. También aprendieron que las altas respuestas de los materiales ocurrieron en esos mismos lugares.
Los siguientes pasos incluirían variar la composición química del material para ver si esas transiciones, y sus propiedades mejoradas, pueden controlarse. 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", agregó Bassiri-Gharb. "El potencial para obtener una nueva comprensión de estos materiales ysus aplicaciones son enormes "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Original escrito por John Toon. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :