De fijne structuur van bariumtitaniet, een potentieel alternatief voor loodtitaniet, is onthuld door onderzoekers die een nieuwe techniek gebruiken in de extreem korte tijdsperiode waarin de ferro-elektrische verschijnselen die door deze materialen worden ervaren, optreden. Het onderzoek moet helpen bij de verdere verkenning van de manier waarop loodtitanaat kan worden vervangen door andere materialen, zodat de brede toepasbaarheid ervan kan worden genoten terwijl de rol ervan bij loodvervuiling wordt vermeden.

Onderzoekers in Japan hebben een roman gebruikt, ultrasnelle techniek om de fijne structuur van een mogelijk alternatief materiaal voor loodtitanaat te onderzoeken, een ferro-elektrisch materiaal dat veel wordt gebruikt voor sensoren in veel alledaagse apparaten. Het begrijpen van deze structuur brengt ons een stap dichter bij het elimineren van deze resterende bronnen van loodvervuiling.

De studie verscheen in het materiaalwetenschappelijk tijdschrift Acta Materialia op 21 januari.

Ferro-elektrische materialen worden gebruikt in een breed scala aan praktische toepassingen, van condensatoren tot geheugencellen, medische echografie tot gegevensopslag en displays. Deze materialen hebben een spontane polarisatie, of richting, van hun elektronen die heen en weer kunnen worden geschakeld via het aanleggen van een elektrisch veld, ferro-elektriciteit genoemd.

Wereldwijd, de samenleving erkent steeds meer de noodzaak om de vervuiling door alle activiteiten en apparaten te verminderen, maar om dit doel te bereiken, een nog dieper begrip van de structuur van veel materialen die momenteel worden gebruikt, moet eerst worden bereikt. Onder de zeer grote familie van verschillende ferro-elektrische materialen, loodtitanaat wordt vaak gebruikt in sensoren die druk meten, versnelling, temperatuur, deformatie, of kracht in een reeks gemeenschappelijke apparaten. Het is al lang aangetoond dat loodvervuiling enorm schadelijk is voor het menselijk brein, en hoewel de meeste rechtsgebieden lood in verf en benzine hebben verboden, de zoektocht naar alternatieve materialen voor dergelijke apparaten moet nog worden voltooid.

Er is enig onderzoek gedaan naar perovskiettitanaten, een familie van ferro-elektrische materialen die titaniumoxide (TiO) combineren met lood, barium, strontium of calcium. Het voorvoegsel perovskiet beschrijft eenvoudig de kristalstructuur, die elk van de leden van het gezin delen. Een gemeenschappelijke kristalstructuur betekent op zijn beurt dat lood mogelijk kan worden vervangen door het minder milieubedreigende barium (vanwege hun ionen met een vergelijkbare grootte en lading).

Dit eerdere onderzoek had een duidelijk verband aangetoond tussen de hybridisatie van elektronenorbitalen van de verschillende samenstellende atomen van perovskiettitanaat en de ferro-elektrische eigenschappen ervan.

"De volgende stap was daarom om op de een of andere manier directe observatie van de toestand van deze elektronen te bereiken terwijl het elektrische veld werd aangelegd, " zegt Nobuo Nakajima van de Graduate School of Advanced Science and Engineering aan de Universiteit van Hiroshima, een co-auteur van de studie. "Dit vereiste ultrasnelle waarnemingen."

Dus het team combineerde röntgenabsorptiespectroscopie (XAS) met een tijdsopgeloste benadering. XAS omvat de interactie van een röntgenstraal met de deep-core elektronen van een atoom in plaats van de buitenste (of valentie) elektronen. Meting van deze interactie maakt een beschrijving van de fijne structuur van het materiaal mogelijk. Een in de tijd opgeloste benadering omvat het gebruik van deze techniek om de dynamische veranderingen in het materiaal te bestuderen op het soort extreem korte tijdschalen waarin verschijnselen zoals ferro-elektrische polarisatie-omkering optreden. Het stelt de onderzoekers in staat om de kleinste veranderingen in spectra en elektronische toestanden onder elektrische velden te detecteren. De combinatie van de twee technieken werd voor het eerst uitgevoerd, op bariumtitanaat.

De onderzoekers ontdekten dat naast de orbitale hybridisatie tussen titanium en zuurstof die al was geïdentificeerd, een soortgelijk effect werd waargenomen tussen de barium en de toestand van titaniumelektronen. Dit droeg ook bij aan de polarisatie-omkering in bariumtitanaat.

Ze hopen dat hun nieuwe techniek, toegepast op een parallel perovskiet-titanaat, aanwijzingen kan geven voor wat zij omschrijven als de 'verborgen aard' van loodtitanaat. en de wereld een stap dichter bij de eliminatie van loodvervuiling brengen.