Vědci odpověděli na dlouhotrvající otázky o relaxore feroelectric

Thomas Goetz: It's time to redesign medical data (Červenec 2019).

Anonim

Vlastnosti pevné látky závisí na uspořádání jejích atomů, které tvoří periodickou krystalovou strukturu. U nanometrů může uspořádání, které porušují tuto periodickou strukturu, drasticky změnit chování materiálu, ale je obtížné ho měřit. Nedávné pokroky vědců na Národním laboratoři Argonne v USA ministerstva energetiky (DOE) začínají odhalovat toto tajemství.

S využitím nejmodernějšího rozptylu neutronů a synchronizovaných rentgenových paprsků vědci Argonne a jejich spolupracovníci pomáhají reagovat na dlouhotrvající otázky o technologicky významné třídě materiálů nazývaných relaxor ferroelectrics, které jsou často založené na olovu. Tyto materiály mají mechanické a elektrické vlastnosti, které jsou užitečné v aplikacích jako je sonar a ultrazvuk. Čím víc vědců rozumí vnitřní struktuře relaxor ferroelectrics, tím lepší jsou materiály pro tyto a další aplikace.

Dielektrické konstanty relaxorového feroelektrika, které vyjadřují svou schopnost ukládat energii v elektrickém poli, mají neobvyklou závislost na frekvenci pole. Jeho původ je pro vědce dávno tajemstvím. Relaxační feroelektrika může mít také mimořádně vysoké piezoelektrické vlastnosti, což znamená, že když jsou mechanicky namáhány, vytvářejí vnitřní elektrické pole nebo naopak rozšiřují nebo kontrastují za přítomnosti vnějšího elektrického pole. Tyto vlastnosti činí relaxorní feroelektriku užitečnou v technologiích, kde je třeba přeměnit energii mezi mechanickou a elektrickou.

Vzhledem k tomu, že olovo je toxické, vědci se snaží vyvinout materiály, které nepocházejí z olova, které mohou fungovat dokonce lépe než feroelektrika na bázi olova. Aby se tyto materiály vyvinuly, vědci se nejprve pokoušejí odhalit, jaké aspekty krystalové struktury relaxorové feroelektrické látky způsobují své jedinečné vlastnosti. Přestože struktura je v průměru uspořádaná a předvídatelná, odchylky od tohoto pořadí se mohou vyskytnout na místní nebo nanoúrovni. Tyto přestávky v symetrii dlouhého dosahu celkové struktury hrají zásadní roli při určování vlastností materiálu.

"Velmi dobře rozumíme objednávce na dlouhou vzdálenost, ale pro tento experiment jsme vyvinuli nové nástroje a metody pro studium místního pořádku, " řekl hlavní lékař Argonne Stephan Rosenkranz.

Vědci z Argonne a Národní institut pro standardy a technologie společně se svými spolupracovníky studovali řadu olověných feroelektrik s různými místními objednávkami, a tudíž i různými vlastnostmi. S využitím nových přístrojů navržených vědci Argonne, kteří dokáží poskytnout mnohem větší a podrobnější měření než předchozí nástroje, studovali tým rozptýlený rozptyl materiálů nebo jak lokální odchylky struktury ovlivňují inak uspořádanější rozptýlení.

Dřívější výzkumníci identifikovali určitý difuzní vzorek rozptylu, který má tvar motýla a spojil ho s anomálními dielektrickými vlastnostmi relaxorového feroelektrika. Když však vědci Argonne analyzovali experimentální data, zjistili, že rozptyl ve tvaru motýlů silně koreluje s piezoelektrickým chováním.

"Nyní můžeme přemýšlet o tom, jaký druh místní objednávky způsobuje rozptýlení motýlů a jak je možné navrhnout materiály, které mají stejné strukturální rysy, které dávají vzniknout tomuto účinku, " řekl fyzik Argonne Danny Phelan.

Pokud jde o skutečnou příčinu anomálních dielektrických vlastností, vědci navrhují, aby vznikly z konkurenčních interakcí, které vedou k "frustraci" v materiálu.

Nové objevy vycházejí z použití vědců jak při rozptylu neutronů, tak při rozptylu rentgenových paprsků. "Existuje neocenitelná komplementarita s použitím obou těchto technik, " řekl Phelan. "Použití jednoho nebo druhého vám nedává celý obraz."

Vědci využijí tyto objevy k informování modelů relaxor ferroelectrics, které se používají k vývoji nových materiálů. Budoucí experimenty dále osvětlí vztah mezi místní objednávkou a vlastnostmi materiálu.

menu
menu