Wetenschap
Materiaalwetenschappers onthullen een route voor het ontwerpen van optische materialen met gespecialiseerde eigenschappen
Hoewel we wanorde doorgaans als een slechte zaak beschouwen, heeft een team van materiaalwetenschappers onder leiding van Rohan Mishra, van de Washington University in St. Louis, en Jayakanth Ravichandran, van de University of Southern California, onthuld dat – als het gaat om bepaalde kristallen – een kleine structurele wanorde kan grote gevolgen hebben voor nuttige optische eigenschappen.
In een onderzoek dat online is gepubliceerd in Advanced Materials , beschrijven de eerste auteurs Boyang Zhao, een USC-student in materiaalkunde die samenwerkt met Ravichandran, en Guodong Ren, een afgestudeerde student die samenwerkt met Mishra in WashU's Institute of Materials Science and Engineering, een nieuw pad om nieuwe optische en elektronische eigenschappen te verkrijgen uit structurele wanorde .
Ze ontdekten dat kleine verplaatsingen van slechts een paar picometers (dat is 100.000 keer kleiner dan de dikte van een vel papier) in de atomaire structuur van een kristal een minimale impact kunnen hebben op de optische eigenschappen in de ene richting, maar gigantische functionele verbeteringen kunnen opleveren wanneer ze vanuit een andere richting worden bekeken. hoek.
In dit geval is de brekingsindex van het materiaal, of hoeveel licht buigt of afwijkt van zijn oorspronkelijke pad wanneer het erdoorheen gaat, dramatisch veranderd door atomaire wanorde.
Dergelijke functionele verbeteringen zouden praktische toepassingen kunnen hebben in de beeldvorming, teledetectie en zelfs de geneeskunde. Door de mate van atomaire wanorde te beheersen om de gewenste optische eigenschappen te bereiken, verwachten de onderzoekers kristallen te ontwikkelen die geavanceerde infraroodbeelden mogelijk maken bij weinig licht, bijvoorbeeld door de prestaties van autonome voertuigen die 's nachts rijden of medische beeldapparatuur te verbeteren.
"We werken al jaren aan halfgeleidermaterialen, geleidelijk aan naar beneden in het periodiek systeem, op zoek naar materialen die zich goed gedragen, maar ook interessante of onverwachte dingen doen", zegt Ravichandran, de Philip en Cayley MacDonald Endowed Early Career Chair en universitair hoofddocent in de Viterbi School of Engineering aan het USC.
"Toen we begonnen te zoeken naar manieren om meer afstembaarheid te krijgen – om materialen te vervaardigen die bij uitstek geschikt zijn voor specifieke toepassingen – ontdekten we dat de eigenschappen dramatisch varieerden wanneer ze vanuit verschillende richtingen werden gemeten."
Wanneer materialen verschillende eigenschappen of gedrag vertonen wanneer ze vanuit verschillende richtingen worden gemeten of waargenomen, staat dit bekend als anisotropie. Anisotrope materialen hebben verschillende kenmerken, afhankelijk van hoe je ze bekijkt, en dat kan een enorme impact hebben op functies zoals lichttransmissie, mechanisch gedrag en andere fysieke of elektrische eigenschappen die cruciaal zijn voor het functioneren van alledaagse apparaten zoals camera's.
Het materiaal dat het team bestudeerde, bariumtitaansulfide (BaTiS3 ), een hexagonaal kristal, was al bekend vanwege zijn grote optische anisotropie, maar wetenschappers konden niet achterhalen waarom. Het kostte jaren van heen en weer samenwerking tussen teams van WashU, USC en verschillende nationale laboratoria, maar uiteindelijk slaagde het team erin de zaak op te lossen.
"We zagen grote discrepanties tussen theorie en experiment. Door vanuit verschillende hoeken licht op het materiaal te laten schijnen, ontstond er een enorm verschil in optische eigenschappen om redenen die niet duidelijk waren", zegt Mishra, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan de Universiteit van New York. McKelvey School of Engineering aan de WashU.
‘De sleutel bleek structurele instabiliteit te zijn die ertoe leidde dat bepaalde atomen, in dit geval de Ti-atomen, zich op een wanordelijke manier van meer symmetrische posities verplaatsen. Kleine anisotrope verplaatsingen kwamen naar voren in synchrotron-experimenten met hoge resolutie, toen wisten we dat. bekijk de atomaire structuur nader met behulp van een elektronenmicroscoop."
"Verplaatsingen op picometerschaal zijn zo klein dat je ze alleen zult vinden als je er specifiek naar op zoek bent", voegde Ravichandran eraan toe.
Dat niveau van fijne details is meestal niet nodig, zelfs niet voor baanbrekend materiaalwetenschappelijk onderzoek, omdat licht zo snel trilt dat het lokale onvolkomenheden in een materiaal verzacht. Deze keer niet.
Ren en Zhao moesten naar elke aanname en elk stukje theorie kijken om erachter te komen hoe ze de discrepantie tussen theorie en experiment konden verklaren, zeiden Mishra en Ravichandran, waarbij ze opmerkten dat het oplossen van dit mysterie alleen mogelijk was door samenwerking.
Met behulp van een combinatie van geavanceerde technieken, waaronder röntgendiffractie met één kristal, kernmagnetische resonantie in vaste toestand en scanning-transmissie-elektronenmicroscopie, vonden de onderzoekers bewijs van anisotrope atomaire verplaatsingen van de titaniumatomen in BaTiS3 . Deze ongelooflijk kleine verplaatsingen op picoschaal vinden plaats in lokale clusters in het materiaal, maar oefenen toch een diepgaande invloed uit op de mondiale optische eigenschappen.
"Het belangrijkste is dat kleine verplaatsingen gigantische gevolgen kunnen hebben," zei Mishra. "We onderzoeken nog steeds hoe factoren zoals temperatuur de optische eigenschappen van dit materiaal kunnen veranderen, maar met deze studie hebben we een diep inzicht ontwikkeld in de relatie tussen structurele wanorde en optische respons. Dat zal helpen als we nieuwe materialen en functionaliteiten blijven ontdekken. "