Mikroskop afslører hemmelighederne bag en materialestruktur

EPFL-forskere har gjort en vigtig opdagelse om strukturen af ​​bariumtitanat, et materiale, der bruges i hverdagsgenstande. Deres resultater tilbageviser eksisterende teorier om forskydningen af ​​materialets atomer.

Bariumtitanat er et ferroelektrisk materiale, der bruges i næsten alle elektroniske enheder - computere, smartphones og endda elbiler. Det bruges til at lave de sensorer og kondensatorer, de kører på, for eksempel. "En enkelt smartphone har generelt omkring 700 kondensatorer indeholdende bariumtitanat, og billioner af disse kondensatorer fremstilles hvert år, " siger Dragan Damjanovic, en EPFL-professor og leder af gruppen for ferroelektrik og funktionelle oxider på EPFL's School of Engineering. På trods af bariumtitanats udbredte anvendelse, imidlertid, forskere forstår stadig ikke helt, hvordan det fungerer. "Der er selvfølgelig teoretiske modeller derude, men nogle af deres vigtigste forudsigelser er aldrig blevet eksperimentelt bekræftet. Så det var det, vi satte os for, " siger Damjanovic.

Et af verdens kraftigste mikroskoper

Emad Oveisi, en seniorforsker ved EPFLs tværfaglige center for elektronmikroskopi, foreslog, at Damjanovic og hans ph.d. studerende Sina Hashemizadeh bruger sit centers Titan Themis - et af verdens mest kraftfulde elektronmikroskoper - til deres forskning. Titan Themis gjorde det muligt for forskerne at observere teatomiske strukturer af bariumtitanat og barium-strontiumtitanat i den kubiske fase. Det var tilbage i 2015, da de fik de første billeder; det tog yderligere fem år at analysere og verificere deres resultater. "Indtil nu, forskere mente, at atomerne bevæger sig i flere retninger i en meget kort tidsramme. Men vores eksperimenter viste, at de har en tendens til at foretrække bestemte retninger, hvilket betyder, at der er områder i nanometrisk størrelse, hvor alle teatomer bevæger sig på samme måde. Det ændrer fuldstændigt, hvordan vi ser på disse materialer og deres atomare struktur, " siger Oveisi. Da deres resultater var i modstrid med den nuværende tankegang, forskerne ville sikre sig, at de havde ret. Så de testede og tjekkede deres resultater flere gange, herunder med jævnaldrende i Slovenien, Østrig og Japan. Derfor tog det fem år at færdiggøre resultaterne. Undersøgelsen er nu offentliggjort i Naturkommunikation .

Småskalafænomener med storstilede eftervirkninger

Takket være de avancerede billedanalysemetoder, forskerne var i stand til at identificere, hvor i materialet atomerne bevæger sig på en ordnet måde. "Når vi taler om bevægelser, vi refererer faktisk til forskydninger, der finder sted på en picometerskala - dvs. en størrelsesorden mindre end selve atomerne, " siger Oveisi. Damjanovic tilføjer:"Selvom forskydningerne er ekstremt små, de har konsekvenser i meget større skala. For eksempel, hvis vi udsætter de nanometriske områder, vi identificerede, for et højfrekvent elektrisk felt som dem i smartphones, områderne varmes op." Hans holds resultater kunne derfor være yderst nyttige til bedre at forstå energitab i denne slags materialer.

Så hvad er næste skridt? "Forskning er uendelig!" siger Damjanovic. "Spørgsmålet om, hvorvidt den nanometriske forskydning virkelig spiller en rolle for opvarmningen af ​​materialet, skal testes. Og hvis det gør, Det næste skridt vil være at udvikle materialer, hvor størrelsen af ​​forskydningsområdet minimeres for at forbedre materialets egenskaber."