فروالکتریکهای ریلکسر دهههاست در فناوریهایی مانند تجهیزات سونوگرافی، میکروفونها و سامانههای سونار مورد استفاده قرار میگیرند. رفتار غیرعادی آنها ریشه در ساختار اتمیشان دارد، اما پژوهشگران تاکنون قادر نبودند این ساختار را بهطور مستقیم اندازهگیری کنند.
اکنون یک تیم پژوهشی از MIT و مؤسسات دیگر، برای نخستینبار نقشه سهبعدی ساختار اتمی یک فروالکتریک ریلکسر را تهیه کردهاند. نتایج این پژوهش که در مجله Science منتشر شده، میتواند به بهبود مدلهایی کمک کند که برای طراحی فناوریهای آینده در حوزه محاسبات، انرژی و حسگرها به کار میروند.
به گفته جیمز لبو (James LeBeau)، استاد مواد در MIT، «اکنون که درک بهتری از آنچه دقیقاً در حال رخ دادن است داریم، میتوانیم خواص موردنظر خود را در مواد بهتر پیشبینی و مهندسی کنیم. جامعه علمی هنوز در حال توسعه روشهایی برای مهندسی این مواد است، اما برای پیشبینی ویژگیهای آنها باید بدانیم آیا مدل ما درست است یا نه.»
آشکارسازی ساختار اتمی پنهان
در این مطالعه، پژوهشگران از یک روش تصویربرداری نوظهور برای بررسی نحوه توزیع بارهای الکتریکی درون ماده استفاده کردند. نتایج به دست آمده برخی فرضیات پیشین را به چالش کشید.
به گفته دو نویسنده همنویسنده اصلی، مایکل شو و منگلین ژو (هر دو از پستداکهای MIT)، «ما متوجه شدیم بینظمی شیمیایی که در آزمایشها مشاهده کردیم، در مدلهای قبلی بهطور کامل در نظر گرفته نشده بود. با همکاری همکارانمان توانستیم مشاهدات تجربی را با شبیهسازیها ترکیب کنیم تا مدلها را اصلاح کرده و پیشبینیهای دقیقتری نسبت به آنچه در آزمایش میبینیم ارائه دهیم.»
فهرست نویسندگان این مقاله شامل ژو (Zhu)، شو (Xu) و لبو (LeBeau) است، همراه با کالین گیگنباخ و بریجت آر. دنزر، دانشجویان دکتری MIT در رشته مهندسی مواد و علوم مواد؛ یوبو چی، استادیار دانشگاه آلاباما در بیرمنگام؛ جیون کیم، استادیار مؤسسه KAIST (مؤسسه پیشرفته علوم و فناوری کره جنوبی)؛ جیهائو ژانگ، دانشجوی دکتری پیشین دانشگاه پنسیلوانیا؛ لین دبلیو. مارتین، استاد دانشگاه رایس؛ و اندرو ام. رپی، استاد دانشگاه پنسیلوانیا.
بررسی مواد بینظم (Disordered Materials)
شبیهسازیهای فعلی نشان میدهند که وقتی یک میدان الکتریکی به فروالکتریکهای ریلکسر اعمال میشود، اتمهای با بار مثبت و منفی در نواحی بسیار کوچک ماده با یکدیگر برهمکنش میکنند. تصور میشود این برهمکنشها عامل ظرفیت بالای ذخیره انرژی و قابلیتهای حسگری این مواد باشند. با این حال، تا پیش از این، ساختار این نواحی بهطور مستقیم قابل اندازهگیری نبود.
در این مقاله منتشرشده در Science، تیم پژوهشی یک آلیاژ از «سرب منیزیم نیوبات – سرب تیتانات» را بررسی کرد؛ مادهای که در حسگرها، عملگرها و سامانههای دفاعی کاربرد دارد. آنها از روش «پرتونگاری الکترونی چند-برشی» (MEP) استفاده کردند؛ تکنیکی نوظهور که در آن یک پرتو الکترونی در مقیاس نانو روی ماده حرکت داده میشود و الگوهای پراش الکترونی ثبت میگردد.
به گفته منگلین ژو: «این فرایند بهصورت مرحلهای انجام میشود و در هر نقطه یک الگوی پراش ثبت میکنیم. این همپوشانی دادهها به ما اطلاعات کافی میدهد تا با یک الگوریتم، ساختار سهبعدی و تابع موج الکترونی را بازسازی کنیم.»
بینش در مقیاسهای مختلف
این روش، ساختارهای شیمیایی و قطبی لایهلایهای را آشکار کرد که از مقیاس اتمی تا مقیاس مزوسکوپی امتداد داشتند. همچنین نشان داد بسیاری از نواحی دارای قطبش متفاوت، بسیار کوچکتر از آن چیزی هستند که شبیهسازیهای پیشرو قبلاً پیشبینی کرده بودند.
تیم پژوهشی از این اندازهگیریها برای بهروزرسانی شبیهسازیهای رایانهای استفاده کرد تا مدلها رفتار واقعی ماده را بهتر بازتاب دهند.
به گفته مایکل شو: «پیشتر این مدلها صرفاً نواحی تصادفی قطبش را نشان میدادند، اما ارتباط بین این نواحی را توضیح نمیدادند. اکنون میتوانیم ببینیم این نواحی چگونه با هم مرتبطاند و چگونه گونههای شیمیایی مختلف، قطبش را بر اساس حالت بار اتمها تغییر میدهند.»
بهسوی طراحی بهتر مواد
ژو میگوید این مطالعه نشان میدهد که میکروسکوپ الکترونی پتانسیل بالایی برای بررسی مواد پیچیده دارد و میتواند مسیرهای جدیدی برای مطالعه سیستمهای بینظم باز کند.
به گفته شو، «این نخستین باری است که در میکروسکوپ الکترونی توانستهایم ساختار قطبی سهبعدی فروالکتریکهای ریلکسر را مستقیماً با محاسبات دینامیک مولکولی مرتبط کنیم. این نشان میدهد که میتوان از این روش برای استخراج اطلاعات سهبعدی واقعی از نمونه استفاده کرد.»
پژوهشگران معتقدند این رویکرد در آینده میتواند به طراحی مواد با ویژگیهای الکترونیکی پیشرفته برای حافظههای بهتر، حسگرهای دقیقتر و فناوریهای انرژی کمک کند.
به گفته لبو: «علم مواد هرچه بیشتر در حال وارد کردن پیچیدگی به فرآیند طراحی است—چه در آلیاژهای فلزی و چه در نیمهرساناها—بهویژه با پیشرفت هوش مصنوعی و ابزارهای محاسباتی. اما اگر مدلهای ما دقیق نباشند و راهی برای اعتبارسنجی نداشته باشیم، نتیجه عملاً بیارزش خواهد بود. این تکنیک کمک میکند بفهمیم چرا ماده چنین رفتاری دارد و مدلهایمان را اعتبارسنجی کنیم.»
