Suprimarea mecanică a atomilor din ceramica feroelectrică

Marion Höfling examinează un singur cristal după o deformare mecanică reușită. Credit: Jurij Koruza

Electroceramica precum condensatoarele sunt componente esențiale în dispozitivele electronice. Interferența cu structura lor cristalină poate modifica proprietăți specifice. Astfel, de exemplu, metodele chimice pot fi utilizate pentru a înlocui atomii individuali din rețeaua cristalină cu alții. O formă stabilă poate fi creată prin substituirea unei serii întregi de atomi, mai degrabă decât a unuia singur. O echipă internațională de cercetători condusă de TU Darmstadt, pentru prima dată, a reușit să introducă o schimbare într-o ceramică feroelectrică prin încorporarea mecanică a atomilor în material – o procedură care până acum a fost utilizată doar pe metale. Descoperirile sunt publicate în revista Science.

Piața mondială a electroceramicii este de aproximativ 25 de miliarde de euro pe an. Aceste ingrediente foarte mici nici măcar nu sunt percepute în viața de zi cu zi. Un singur smartphone conține 600 de condensatori, dintre care 3 trilioane – adică 3000 miliarde – din care sunt produse în fiecare an. Modul în care funcționează multe electroceramice nu se bazează pe fluxul de curent prin material, ci pe mici deplasări de sarcină, numite polarizări, pe fracțiuni de diametru atomic. Aproximativ un sfert din electroceramica produsă în lume asociază această polarizare cu o extensie a materialului, care la rândul său poate fi ajustată prin precizie cu un diametru atomic. Abia atunci pot fi structurate componente din ce în ce mai mici pentru computer și microcomputer.

Înlocuirea seriei atomice în atom

Proprietățile electroceramicii pot fi îmbunătățite prin utilizarea intervențiilor chimice pentru a înlocui atomii individuali din rețeaua cristalină în formă obișnuită cu alții (donații) – un pic ca și coborârea unui singur ventilator Borussia Dortmund într-un tricou alb-negru într-un întreg deplin cinema cu FC Bayern München Fani în topul roșu. Cu toate acestea, atunci când există cerințe speciale, cum ar fi o temperatură mai mare sau o tensiune electrică, echipate atom și-ar pierde locul (ventilatorul ar fi împins în jur), în detrimentul funcției de ceramică.

Monocristal cu reflexii de domeniu

Monocristal cu reflexii de domeniu la apus. Credit: Marion Höfling

Instalarea atomilor individuali într-o rețea de cristal ceramică nu este suficient de stabilă pentru cerințe complexe, dar instalarea întregii serii atomice (deplasare) este robustă. În exemplul fotbalului, acest lucru ar corespunde unui fan al Borussiei printre fanii Bayern. Oamenii de știință din trei grupuri de lucru TU Darmstadt colaborează cu grupuri de cercetare din Elveția, Olanda și SUA pentru a cerceta aceste deplasări.

Atomi noi, proprietăți noi

„Metodele chimice nu mai sunt suficiente pentru deplasările planificate”, explică profesorul Jürgen Rödel, șeful grupului de cercetare pentru materiale anorganice nemetalice de la TU Darmstadt. În schimb, cercetătorii au reușit să realizeze deplasarea mecanic. Au folosit un proces în care ceramica se deformează mecanic în condiții de presiune și temperatură controlate, astfel încât deplasarea poate fi încorporată în ceramică. O astfel de abordare este nesemnificativă pentru metale, dar până acum era considerată în mare măsură imposibilă pentru ceramică din cauza durității lor extraordinare. În plus, suprafața ceramică este extrem de fragilă și se poate rupe cu ușurință. Pentru a depăși aceste obstacole, oamenii de știință efectuează o implantare mecanică la 1150 de grade centigrad într-un singur cristal de orientare optimizat calculat anterior.

Această metodă permite acum un câmp bine reglementat al liniilor atomice nou ocupate. Aceste serii controlează polarizarea locală, deplasarea sarcinii, în material. În timp ce seria tipărită limitează în mod clar polarizarea, nu poate pierde structura chiar și în condiții de operare foarte ridicate. În funcționarea electroceramicii, zonele materiale definite acum prin serii (schimbări) primesc anumite schimbări de sarcină; continuând cu analogia fotbalistică, este ca și cum fanii Bayernului ar fi înclinat înainte sau lateral în secțiuni. Deoarece aceste zone materiale nu se schimbă în condiții ridicate, nu se transformă energie prin frecare internă și comportamentul materialului rămâne stabil.

Aceste materiale fac acum posibilă asigurarea unor proprietăți durabile chiar și la temperaturi ridicate și cu un consum sporit de energie. În același timp, cercetătorii abordează reducerea costurilor necesară pentru a asigura deplasările prin mai multe opțiuni de implantare mecanică.

Referință: „Controlul polarizării în gros feroelectric prin încorporarea deplasării mecanice” de Marion Höfling, Xiandong Zhou, Lukas M. Riemer, Enrico Bruder, Binzhi Liu, Lin Zhou, Pedro B. Groszewicz, Fangping Ziangu X, Bai Karsten Durst, Xiaoli Tan , Dragan Damjanovic, Jurij Koruza și Jürgen Rödel, 28 mai 2021, ştiinţă.
DOI: 10.1126 / science.abe3810

Proiectul Reinhart Koselleck

DFG a furnizat „Ceramics Relocation Research” ca proiect Reinhart Koselleck cu 1,25 milioane de euro pe parcursul a cinci ani. Programul urmărește libertatea pentru cercetări deosebit de inovatoare și – într-un sens pozitiv – riscant și onorează astfel oamenii de știință cunoscuți. Este pentru prima dată când profesorul Jürgen Rödel solicită acest tip de sprijin DFG pentru TU Darmstadt. În domeniile adiacente ale transportului de mărfuri și creșterea fiabilității ceramicii (ceramică ductilă), au existat deja o serie de publicații de rang înalt și primele cereri de brevet pentru proiectul său. Numărul partenerilor internaționali de căutare este în prezent în creștere rapidă și include, de asemenea, echipe din Anglia, China și Japonia, în special.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Inginerii dezvoltă o nouă tehnologie de tratare a apei care ar putea ajuta și exploratorii Marte

Un catalizator care distruge percloratul din apă poate curăța solul marțian. O echipă condusă de ingineri de la Universitatea din California Riverside a dezvoltat un...

Dezechilibrul energetic al Pământului s-a dublat

Faceți clic pe imaginea pentru a anima: Comparația estimărilor anuale suprapuse la intervale de 6 luni ale fluxului anual net de energie în atmosfera...

Modul în care celulele folosesc „pungile pentru gunoi” pentru a-și transporta deșeurile de reciclare

Descoperirile pot avea implicații importante pentru înțelegerea bolilor legate de vârstă. Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebys au obținut o perspectivă mai profundă...

Cercetătorii iau distribuția cheii cuantice din laborator

Dovezile pe teren arată că simpla funcționare a sistemului DCC cu rețeaua de telecomunicații existentă în Italia. Într-un nou studiu, cercetătorii au demonstrat un sistem...

Știința simplificată: ce sunt rețelele cuantice?

din Departamentul Energiei din SUA 17 iunie 2021 Părțile interesate din guvern, laboratoare naționale, universități și industrie s-au alăturat DOE Internet Quantum Project Workshop pentru a...

Newsletter

Subscribe to stay updated.