Durante décadas, os materiais ferroelétricos relaxantes desempenharam um papel importante em tecnologias como imagens de ultrassom, microfones e sonar. Seu comportamento incomum vem da maneira como seus átomos internos estão organizados. No entanto, medir diretamente esta estrutura interna é extremamente difícil, deixando os cientistas dependentes de modelos incompletos.
Agora, pesquisadores do MIT e de instituições colaboradoras mapearam pela primeira vez a estrutura atômica tridimensional de um ferroelétrico relaxante. Seus resultados serão publicados em ciênciafornecendo uma base mais clara para melhorar os modelos usados para projetar futuros sistemas de computação, dispositivos de energia e sensores avançados.
“Agora que temos uma melhor compreensão do que está acontecendo, podemos prever e projetar melhor as propriedades que queremos que nossos materiais alcancem”, 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 que esses materiais terão, é preciso saber se o seu modelo está correto.”
Revelando padrões de carga ocultos em materiais complexos
Neste estudo, a equipe utilizou métodos de imagem de última geração para examinar a distribuição de cargas elétricas em todo o material. Suas descobertas desafiaram suposições anteriores.
“Percebemos que a desordem química que observamos em nossos experimentos não havia sido considerada adequadamente antes”, disse o co-autor Michael Xu ’25, Ph.D. estudante, e Menglin Zhu, pós-doutorado no MIT. “Trabalhando com nossos colaboradores, somos capazes de combinar observações experimentais com simulações para refinar o modelo e prever melhor o que vemos em nossos experimentos”.
A equipe de pesquisa também inclui os alunos de doutorado em ciência e engenharia de materiais do MIT, Colin Gilgenbach e Bridget R. Denzer; Yubo Qi, professor assistente da Universidade do Alabama em Birmingham; Jieun Kim, professora assistente do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia; Jiahao Zhang, ex-aluno de doutorado da Penn State; Lane W. Martin, professor da Rice University; e Andrew M. Rappe, professor da Penn State.
Sondando materiais desordenados em escala atômica
Modelos de computador há muito mostram que quando campos elétricos são aplicados para relaxar ferroelétricos, as interações entre átomos carregados positiva e negativamente em regiões minúsculas ajudam a criar suas poderosas capacidades de armazenamento e detecção de energia. Até agora, estas regiões em nanoescala não eram diretamente observáveis.
Para investigar mais, os pesquisadores se concentraram em um material amplamente utilizado em sensores, atuadores e sistemas de defesa, a liga de titanato de niobato de magnésio e chumbo. Eles aplicaram uma tecnologia avançada chamada imagem de pilha de elétrons multicamadas (MEP). O método envolve a varredura de um feixe de elétrons de alta energia em nanoescala sobre um material e o registro do padrão de difração resultante.
“Fazemos isso de forma sequencial e em cada posição obtemos um padrão de difração”, explica Zhu. “Isso cria uma região sobreposta com informações suficientes para reconstruir iterativamente informações tridimensionais sobre o objeto e a função de onda do elétron usando algoritmos.”
Usando esta abordagem, a equipe descobriu uma estrutura em camadas de estruturas químicas e polares que se estende desde átomos individuais até estruturas mesoscópicas maiores. Eles também descobriram que as áreas com polarizações diferentes eram significativamente menores do que o previsto em simulações anteriores. Ao incorporar essas observações em modelos, os pesquisadores podem melhorar a proximidade das simulações com o comportamento do mundo real.
“Anteriormente, esses modelos tinham basicamente regiões de polarização aleatórias, mas não informavam como essas regiões se relacionavam entre si”, disse Xu. “Agora que podemos fornecer esta informação, podemos ver como os produtos químicos individuais modulam a polarização com base no estado de carga dos átomos.”
Desenvolvendo melhores materiais para tecnologias futuras
As descobertas destacam a capacidade crescente da impressão sobreposta eletrônica de explorar materiais complexos e desordenados e podem levar a novas direções de pesquisa, disse Zhu.
“Este estudo é a primeira vez que conectamos diretamente a estrutura polar tridimensional dos ferroelétricos relaxantes sob microscopia eletrônica com cálculos de dinâmica molecular”, disse Xu. “É mais uma prova de que é possível usar esta técnica para obter informações tridimensionais de uma amostra.”
A equipe acredita que esta abordagem poderia eventualmente ajudar os cientistas a projetar materiais com propriedades eletrônicas personalizadas e melhorar tecnologias como armazenamento de memória, sistemas de detecção e dispositivos de energia.
“À medida que a inteligência artificial avança e nossas ferramentas de computação se tornam mais avançadas, a ciência dos materiais está incorporando mais complexidade ao processo de design de materiais – sejam ligas metálicas ou semicondutores –” disse Lebow. “Mas se nossos modelos não forem precisos o suficiente e não pudermos validá-los, isso é lixo que entra e sai lixo. Essa tecnologia pode nos ajudar a entender por que os materiais se comportam dessa maneira e a validar nossos modelos.”
A pesquisa foi apoiada em parte 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. Este trabalho também utilizou a facilidade MIT.nano.
