EPFL-wetenschappers hebben een belangrijke ontdekking gedaan over de structuur van bariumtitanaat, een materiaal dat wordt gebruikt in alledaagse voorwerpen. Hun bevindingen weerleggen bestaande theorieën over de verplaatsing van de atomen van het materiaal.

Bariumtitanaat is een ferro-elektrisch materiaal dat in bijna alle elektronische apparaten wordt gebruikt:computers, smartphones en zelfs elektrische auto's. Het wordt gebruikt om de sensoren en condensatoren te maken waarop ze werken, bijvoorbeeld. "Een enkele smartphone heeft over het algemeen ongeveer 700 condensatoren die bariumtitanaat bevatten, en er worden elk jaar biljoenen van deze condensatoren gemaakt, " zegt Dragan Damjanovic, een EPFL-professor en hoofd van de Group for Ferroelectrics and Functional Oxides aan EPFL's School of Engineering. Ondanks het wijdverbreide gebruik van bariumtitanaat, echter, onderzoekers begrijpen nog steeds niet helemaal hoe het werkt. "Er zijn natuurlijk theoretische modellen, maar sommige van hun belangrijkste voorspellingen zijn nooit experimenteel bevestigd. Dus dat is wat we gingen doen, ', zegt Damjanovic.

Een van 's werelds krachtigste microscopen

Emad Oveisi, een senior wetenschapper bij EPFL's Interdisciplinair Centrum voor Elektronenmicroscopie, suggereerde dat Damjanovic en zijn Ph.D. student Sina Hashemizadeh gebruikt de Titan Themis van zijn centrum - een van 's werelds krachtigste elektronenmicroscopen - voor hun onderzoek. De Titan Themis stelde de wetenschappers in staat om de atomaire structuren van bariumtitanaat en barium-strontiumtitanaat in de kubische fase te observeren. Dat was in 2015, toen ze de eerste beelden kregen; het duurde nog eens vijf jaar om hun resultaten te analyseren en te verifiëren. "Tot nu, onderzoekers geloofden dat de atomen in een zeer kort tijdsbestek in verschillende richtingen bewegen. Maar onze experimenten toonden aan dat ze de neiging hebben om bepaalde richtingen te verkiezen, wat betekent dat er gebieden zijn met nanometrische afmetingen waar alle theatomen op dezelfde manier bewegen. Dat verandert volledig hoe we deze materialen en hun atomaire structuur bekijken, ", zegt Oveisi. Omdat hun bevindingen in tegenspraak waren met het huidige denken, de wetenschappers wilden zeker weten dat ze gelijk hadden. Dus testten en controleerden ze hun resultaten meerdere keren, ook met leeftijdsgenoten in Slovenië, Oostenrijk en Japan. Daarom duurde het vijf jaar voordat de resultaten definitief waren. Het onderzoek is nu gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Kleinschalige fenomenen met grootschalige gevolgen

Dankzij de geavanceerde beeldanalysemethoden, de wetenschappers waren in staat om te identificeren waar in het materiaal de atomen op een ordelijke manier bewegen. "Als we het over bewegingen hebben, we hebben het eigenlijk over verplaatsingen die plaatsvinden op een picometerschaal - dat wil zeggen, een orde van grootte kleiner dan de atomen zelf, " zegt Oveisi. Damjanovic voegt toe:"Hoewel de verplaatsingen extreem klein zijn, ze hebben gevolgen op veel grotere schaal. Bijvoorbeeld, als we de nanometrische gebieden die we hebben geïdentificeerd blootstellen aan een hoogfrequent elektrisch veld zoals die in smartphones, de gebieden worden warm." De bevindingen van zijn team kunnen daarom zeer nuttig zijn om het energieverlies in dit soort materialen beter te begrijpen.

Dus wat is de volgende stap? "Het onderzoek is oneindig!" zegt Damjanovic. "De vraag of de nanometrische verplaatsing echt een rol speelt bij het opwarmen van het materiaal, moet worden getest. En als dat zo is, de volgende stap zal zijn om materialen te ontwikkelen waarbij de grootte van het verplaatsingsgebied wordt geminimaliseerd om de eigenschappen van het materiaal te verbeteren."