Materiais conhecidos como ferroeletros relaxores têm sido fundamentais em tecnologias como imagens de ultrassom, microfones e sonar há várias décadas. Seu desempenho incomum se deve à disposição dos átomos em sua estrutura interna. No entanto, mensurar essa estrutura de forma direta tem se mostrado extremamente desafiador, levando os cientistas a depender de modelos incompletos.
Agora, pesquisadores do MIT, em colaboração com outras instituições, conseguiram, pela primeira vez, mapear a estrutura atômica tridimensional de um ferroeletro relaxor. Os resultados, que serão publicados na Science, proporcionam uma base mais clara para aprimorar os modelos usados no design de futuros sistemas computacionais, dispositivos de energia e sensores avançados.
“Agora que temos uma compreensão melhor do que realmente está acontecendo, podemos prever e projetar melhor as propriedades que queremos que os materiais alcancem”, afirma o autor correspondente James LeBeau, Professor Kyocera de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT. “A comunidade de pesquisa ainda está desenvolvendo métodos para manipular 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
No estudo, a equipe utilizou um método de imagem de ponta para examinar como as cargas elétricas estão distribuídas no material. O que descobriram desafiou suposições anteriores.
“Percebemos que a desordem química que observamos em nossos experimentos não foi totalmente considerada anteriormente”, dizem os co-primeiros autores Michael Xu, PhD ’25, e Menglin Zhu, que são ambos pós-doutorandos no MIT. “Trabalhando com nossos colaboradores, conseguimos combinar as observações experimentais com simulações para refinar os modelos e prever melhor o que observamos nos experimentos.”
A equipe de pesquisa também incluiu Colin Gilgenbach e Bridget R. Denzer, alunos de doutorado em ciência e engenharia de materiais do MIT; Yubo Qi, professor assistente da Universidade do Alabama em Birmingham; Jieun Kim, professor assistente no Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia; Jiahao Zhang, ex-aluno de doutorado na Universidade da Pensilvânia; Lane W. Martin, professor na Universidade Rice; e Andrew M. Rappe, professor na Universidade da Pensilvânia.
Investigando Materiais Desordenados na Escala Atômica
Modelos computacionais sugerem há muito tempo que, ao aplicar um campo elétrico em ferroeletros relaxores, as interações entre átomos com carga positiva e negativa em pequenas regiões ajudam a criar suas fortes capacidades de armazenamento de energia e sensoriamento. Até agora, essas regiões em nanoscale não podiam ser observadas diretamente.
Para investigar mais a fundo, os pesquisadores focaram em um material amplamente utilizado em sensores, atuadores e sistemas de defesa, uma liga de niobato de chumbo e titanato de chumbo. Eles aplicaram uma técnica avançada chamada ptychografia eletrônica de múltiplas fatias (MEP). Esse método envolve a varredura de um feixe nanoscale de elétrons de alta energia pelo material e o registro dos padrões de difração resultantes.
“Fazemos isso de forma sequencial, e em cada posição adquirimos um padrão de difração”, explica Zhu. “Isso cria regiões de sobreposição, e essa sobreposição possui informações suficientes para usar um algoritmo que construa iterativamente informações tridimensionais sobre o objeto e a função de onda dos elétrons.”
Usando essa abordagem, a equipe descobriu uma hierarquia em camadas de estruturas químicas e polares, que se estendem desde átomos individuais até características mesoscópicas maiores. Eles também descobriram que regiões com diferentes polarizações eram significativamente menores do que as simulações anteriores previam. Ao incorporar essas observações em seus modelos, os pesquisadores puderam melhorar a concordância entre as simulações e o comportamento real.
“Anteriormente, esses modelos basicamente tinham regiões de polarização aleatória, mas não informavam como essas regiões se correlacionavam entre si”, diz Xu. “Agora podemos fornecer essa informação e visualizar como espécies químicas individuais modulam a polarização dependendo do estado de carga dos átomos.”
Rumo a Melhores Materiais para Tecnologias Futuras
De acordo com Zhu, as descobertas destacam o crescente poder da ptychografia eletrônica para explorar materiais complexos e desordenados e podem abrir novas linhas de pesquisa.
“Este estudo é a primeira vez que conseguimos conectar diretamente a estrutura polar tridimensional dos ferroeletros relaxores com cálculos de dinâmica molecular usando um microscope eletrônico”, diz Xu. “Isso comprova ainda mais que é possível obter informações tridimensionais da amostra utilizando essa técnica.”
A equipe acredita que esse método pode, eventualmente, ajudar os cientistas a projetar materiais com propriedades eletrônicas personalizadas, melhorando tecnologias como armazenamento de memória, sistemas de sensoriamento e dispositivos de energia.
“A ciência dos materiais está incorporando mais complexidade ao processo de design de materiais – seja para ligas metálicas ou semicondutores – à medida que a IA melhora e nossas ferramentas computacionais se tornam mais avançadas”, diz LeBeau. “Mas se nossos modelos não forem precisos o suficiente e não tivermos como validá-los, é lixo na entrada, lixo na saída. Essa técnica nos ajuda a entender por que o material se comporta da maneira que se comporta e valida nossos modelos.”
A pesquisa foi apoiada em parte pelo Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA, pela Escritório de Pesquisa da Marinha dos EUA, pelo Departamento de Guerra dos EUA e por uma Bolsa de Graduação da National Science. O trabalho também fez uso das instalações do MIT.nano.
