Op het eerste gezicht, biomedische weergaveapparaten, telefoons, en radiotelescopen lijken misschien niet veel gemeen te hebben, maar het zijn allemaal voorbeelden van technologieën die kunnen profiteren van bepaalde soorten relaxor-ferro-elektriciteit - keramiek die van vorm verandert onder toepassing van een elektrisch veld.

De elektromechanische eigenschappen van deze materialen zijn het sterkst bij specifieke combinaties van temperatuur en aangelegde elektrische velden. Twee voormalige postdoctorale onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Amerikaanse Department of Energy keren terug naar hun neutronenwetenschappelijke wortels bij de ORNL Spallation Neutron Source (SNS) om dit fenomeen te bestuderen.

Collega's en vaste medewerkers Abhijit Pramanick van de City University of Hong Kong en Mads Ry Jørgensen van de universiteit van Aarhus in Denemarken ontmoetten elkaar voor het eerst tijdens de National School on Neutron and X-Ray Scattering (NXS) in 2008. Hun laatste project omvat het toepassen van elektrische velden en het variëren van temperaturen tot monokristallijne monsters met behulp van het TOPAZ-instrument, SNS-straallijn 12, om te onderzoeken hoe de atomen van het materiaal onder die omstandigheden worden verplaatst. Ze zeggen dat een beter begrip van het gedrag van het materiaal zou moeten helpen bij de ontwikkeling van nieuwe relaxor ferro-elektrische ontwerpen met verbeterde eigenschappen - en mogelijk die milieuvriendelijker zijn, te.

"Interessant, wanneer u dit materiaal blootstelt aan bepaalde temperaturen onder bepaalde elektrische velden, je krijgt een grote toename in elektromechanische reacties, " zei Pramanick. "Maar we begrijpen niet echt waarom het onder zulke omstandigheden gebeurt. We proberen het atomistische mechanisme te begrijpen."

Jørgensen, die ook de DanMAX-bundellijn beheert in het MAX IV-laboratorium in Zweden, legde uit dat de fijne details van hoe deze materialen werken een populair onderwerp van lopend onderzoek blijft, omdat wetenschappers deze mechanismen al meer dan 50 jaar bestuderen zonder overtuigende resultaten.

Voor antwoorden, het team wendde zich tot neutronen. Neutronen bieden een niet-destructieve sonde die onderzoekers kunnen gebruiken om te interageren met materialen om gegevens te verzamelen over de atomaire structuren en het gedrag van de materialen.

"Wat echt interessant is, is de combinatie van hoge temperaturen en elektrische velden. Als je dat probeert te implementeren voor heel kleine kristallen zoals die we hier gebruiken, dat is een heel moeilijk experiment om te doen, ' zei Pramanick.

"Normaal gesproken, het bestuderen van deze kristallen zou zijn alsof je aan één kant van een gebouw staat, maar de hele omtrek moet rondlopen om een ​​volledig beeld te krijgen, " Jørgensen zei, "maar TOPAZ biedt een uitgebreid overzicht van alle vier de kanten tegelijk, waarmee we het diffractiepatroon in 3D kunnen onderzoeken zonder het monster te roteren."

De onderzoekers onderzoeken ook de betekenis van lood in ferro-elektrische materialen. Een essentieel onderdeel van relaxor ferro-elektriciteit, lood brengt ook milieurisico's met zich mee, van het bijdragen aan luchtvervuiling tot het negatief beïnvloeden van kwetsbare ecosystemen.

"We moeten leren wat lood zo belangrijk maakt, " zei Pramanick. "Als we de atomistische mechanismen beter kunnen begrijpen, we kunnen nieuwe materialen ontwerpen die milieuvriendelijker zijn, maar toch vergelijkbare eigenschappen hebben."

Beide onderzoekers zijn enthousiast om deze doelen bij SNS na te streven. "Het is altijd goed om terug te komen, " zei Pramanick. "We vinden het geweldig om te zien hoe de faciliteit blijft groeien."