Materiais conhecidos como ferroelétricos relaxantes têm desempenhado papéis importantes há décadas em tecnologias como imagens de ultrassom, microfones e sonar. Seu desempenho incomum vem da maneira como os átomos dentro deles estão organizados. 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 aliadas mapearam, pela primeira vez, a estrutura atômica tridimensional de um ferroelétrico relaxado. Seus resultados serão publicados ciênciaOferece uma base clara para melhorar 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 alcançar”, disse 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 desses materiais, você precisa 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 vimos em nossos experimentos não havia sido totalmente considerada antes”, disseram os co-autores Michael Xu PhD ’25 e Menglin Zhu, ambos pós-doutorados no MIT. “Trabalhando com nossos colaboradores, conseguimos combinar 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 Cui, professor assistente da Universidade do Alabama em Birmingham; Jeon Kim, professor 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 o professor da Universidade da Pensilvânia, Andrew M. Rape.
Examinando a matéria desordenada 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 pequenas regiões os ajudam a criar fortes capacidades de armazenamento e detecção de energia. 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 tipografia eletrônica multislice (MEP). O método envolve a varredura de um feixe de elétrons de alta energia em nanoescala através do material e o registro dos padrões de dispersão resultantes.
“Fazemos isso de forma sequencial e, em cada posição, obtemos um padrão de dispersão”, explica Zhu. “Isso cria regiões de sobreposição, e essa sobreposição contém informações suficientes para usar um algoritmo para reconstruir 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, abrangendo desde átomos individuais até características mesoscópicas maiores. Eles também descobriram que as regiões com polarizações diferentes eram significativamente menores do que o previsto em simulações anteriores. Ao incorporar essas observações em seus modelos, os pesquisadores conseguiram melhorar o quão bem as simulações correspondiam ao comportamento do mundo real.
“Antes, esses modelos tinham basicamente regiões aleatórias de polarização, mas não informavam como essas regiões estavam relacionadas entre si”, disse Xu. “Agora podemos fornecer essa informação e ver como diferentes espécies químicas modificam a polarização dependendo do estado de carga do átomo.”
Rumo a melhores materiais para tecnologias futuras
Segundo Zhu, os resultados destacam o poder crescente da tipografia eletrônica para explorar materiais complexos e desordenados e podem levar a novas linhas de pesquisa.
“Este estudo é a primeira vez em um microscópio eletrônico que conseguimos conectar diretamente a estrutura polar tridimensional dos ferroelétricos relaxantes com cálculos de dinâmica molecular”, disse Xu. “Isso também prova que é possível obter informações tridimensionais de amostras usando esta técnica.”
A equipe acredita que a abordagem 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 adicionando mais complexidade ao processo de design de materiais – seja para ligas metálicas ou semicondutores – à medida que a IA melhora e nossas ferramentas computacionais melhoram”, disse LeBeau. “Mas se nossos modelos não forem precisos o suficiente e não tivermos como validá-los, será lixo entre lixo. Essa técnica nos ajuda a entender por que o material se comporta dessa maneira e valida nossos modelos.”
A pesquisa foi apoiada 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 foi feito usando o recurso MIT.nano.
