Met een naald die veel dunner is dan een mensenhaar, wetenschappers onthulden hoe mechanische stijfheid in een veelbelovend materiaal kan worden gecontroleerd. Het team paste een elektrisch veld toe met een naald van nanoformaat om een ​​omkeerbare verandering in de rangschikking van de atomen in het materiaal te veroorzaken. Deze verandering is een faseovergang. Het team herconfigureerde de atoomkrachtmicroscoop die ze gebruikten om de resulterende verandering in de mechanische eigenschappen van het materiaal te meten - met een verandering tot 30 procent.

Het vermogen om mechanische eigenschappen te controleren en te meten zou kunnen leiden tot veelbelovende materialen voor geavanceerde akoestiek (bijvoorbeeld microfoons) en magnetronapparatuur. Ook, wetenschappers zouden deze nieuwe techniek kunnen gebruiken om nieuwe natuurkundige regels te onthullen voor overgangen in de atomaire structuur van een materiaal. Wetenschappers zouden deze regels kunnen toepassen om nieuwe materialen voor actuatoren te identificeren, schakelaars, magnetische veldsensoren, en computergeheugen.

Wanneer een materiaal een faseverandering ondergaat, zijn atomaire structuur is opnieuw georiënteerd, en veel fundamentele materiaaleigenschappen kunnen worden gewijzigd, waaronder mechanische stijfheid. Hierdoor kan het materiaal harder of zachter worden, wat een belangrijke overweging is voor toepassingen die gebruik maken van materiële trillingen, zoals sensoren of andere elektronische materialen. traditioneel, wetenschappers hebben faseveranderingen en mechanische eigenschappen bestudeerd met neutronenverstrooiing en mechanische testen; helaas, deze technieken kunnen de reacties van deze materialen op nanoschaal niet meten. uiteindelijk, de microstructuur op nanoschaal en de resulterende functionaliteit moeten worden begrepen om de prestaties van het apparaat uit te leggen en te verbeteren.

Onderzoekers onder leiding van Oak Ridge National Laboratory hebben een techniek met atoomkrachtmicroscopie (AFM) gebruikt om door spanning veroorzaakte veranderingen in materiaalstijfheid te onthullen in een van de meest bestudeerde multifunctionele materialen:bismutijzeroxide (BiFeO3). Het gebruik van een multi-frequentie AFM-techniek maakt het mogelijk een spanning op nanometer-lengteschalen aan te brengen en vond een faseovergang als de oorsprong voor de verandering in materiaalstijfheid. Onder een aangelegde spanning, gigantische afstembaarheid van stijfheid werd gevonden. Dat is, de materiaalstijfheid veranderde omkeerbaar meer dan 30 procent, een vrij dramatische verandering voor deze materialen. Koppeling met modellering zorgde voor een meer gedetailleerd begrip van het waargenomen fenomeen wanneer het materiaal zachter wordt onder een aangelegde spanning. Deze ontdekking en gedetailleerd begrip van processen op nanometer-lengteschaal zou toepassingen kunnen hebben in geavanceerde apparaten, van krachtige microfoons tot nieuwe soorten elektronisch geheugen, evenals nieuwe beeldvormingstechnieken om fysica gerelateerd aan materiaalovergangen te onderzoeken.