De eigenschappen van een vaste stof hangen af ​​van de rangschikking van de atomen, die een periodieke kristalstructuur vormen. Op nanoschaal is arrangementen die deze periodieke structuur doorbreken, kunnen het gedrag van het materiaal drastisch veranderen, maar dit is moeilijk te meten. Recente vorderingen door wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) beginnen dit mysterie te ontrafelen.

Met behulp van ultramoderne neutronen- en synchrotron-röntgenverstrooiing, Wetenschappers van Argonne en hun medewerkers helpen bij het beantwoorden van lang gekoesterde vragen over een technologisch belangrijke klasse materialen die relaxor-ferro-elektriciteit wordt genoemd, die vaak op lood zijn gebaseerd. Deze materialen hebben mechanische en elektrische eigenschappen die nuttig zijn in toepassingen zoals sonar en ultrageluid. Hoe meer wetenschappers begrijpen over de interne structuur van relaxor ferro-elektriciteit, hoe betere materialen we voor deze en andere toepassingen kunnen ontwikkelen.

De diëlektrische constanten van relaxor ferro-elektriciteit, die hun vermogen om energie op te slaan uitdrukken in een elektrisch veld, hebben een ongewone afhankelijkheid van de frequentie van het veld. De oorsprong ervan is lange tijd een mysterie geweest voor wetenschappers. Relaxor-ferro-elektriciteit kan ook buitengewoon hoge piëzo-elektrische eigenschappen hebben, wat betekent dat wanneer ze mechanisch worden belast, ze een intern elektrisch veld ontwikkelen, of, omgekeerd, ze zetten uit of krimpen in de aanwezigheid van een extern elektrisch veld. Deze eigenschappen maken relaxor ferro-elektriciteit nuttig in technologieën waarbij energie moet worden omgezet tussen mechanisch en elektrisch.

Omdat lood giftig is, wetenschappers proberen niet-loodgebaseerde materialen te ontwikkelen die zelfs beter kunnen presteren dan de op lood gebaseerde ferro-elektriciteit. Om deze materialen te ontwikkelen, wetenschappers proberen eerst te ontdekken welke aspecten van de kristalstructuur van de relaxor ferro-elektrische zijn unieke eigenschappen veroorzaken. Hoewel de structuur gemiddeld geordend en voorspelbaar is, afwijkingen van deze volgorde kunnen optreden op een lokale, of nanoschaalniveau. Deze breuken in de lange-afstandssymmetrie van de totale structuur spelen een cruciale rol bij het bepalen van de eigenschappen van het materiaal.

"We begrijpen de langetermijnorder heel goed, maar voor dit experiment hebben we nieuwe instrumenten en methoden ontwikkeld om de lokale orde te bestuderen, " zei Argonne senior natuurkundige Stephan Rosenkranz.

Wetenschappers van Argonne en het National Institute of Standards and Technology, samen met hun medewerkers, bestudeerde een reeks op lood gebaseerde ferro-elektriciteit met verschillende lokale orders, en dus verschillende eigenschappen. Met behulp van nieuwe instrumenten ontworpen door Argonne-wetenschappers die een veel grotere en gedetailleerdere meting kunnen bieden dan eerdere instrumenten, het team bestudeerde de diffuse verstrooiing van de materialen, of hoe de lokale afwijkingen in structuur het anders meer geordende verstrooiingspatroon beïnvloeden.

Eerdere onderzoekers hebben een bepaald diffuus verstrooiingspatroon geïdentificeerd, die de vorm van een vlinder aanneemt, en geassocieerd met de afwijkende diëlektrische eigenschappen van relaxor ferro-elektriciteit. Toen wetenschappers van Argonne hun experimentele gegevens analyseerden, echter, ze ontdekten dat de vlindervormige verstrooiing sterk gecorreleerd was met piëzo-elektrisch gedrag.

"Nu kunnen we nadenken over wat voor soort lokale orde deze vlinderverstrooiing veroorzaakt, en hoe kunnen we materialen ontwerpen die dezelfde structurele kenmerken hebben die aanleiding geven tot dit effect, " zei Argonne-fysicus Danny Phelan.

Wat betreft de echte oorzaak van de afwijkende diëlektrische eigenschappen, de wetenschappers stellen voor dat het voortkomt uit concurrerende interacties die leiden tot "frustratie" in het materiaal.

De nieuwe ontdekkingen kwamen voort uit het gebruik van zowel neutronenverstrooiing als röntgenverstrooiing door de wetenschappers. "Er is een onschatbare complementariteit bij het gebruik van beide technieken, "zei Phelan. "Als je de een of de ander gebruikt, krijg je niet het hele plaatje."

De wetenschappers zullen deze ontdekkingen gebruiken om modellen van relaxor ferro-elektriciteit te informeren die worden gebruikt om nieuwe materialen te ontwikkelen. Toekomstige experimenten zullen de relatie tussen lokale orde en materiaaleigenschappen verder verhelderen.