Недавние достижения в области исследования материалов открывают новые горизонты в понимании поведения специализированных веществ, в частности, релаксорных сегнетоэлектриков. Эти материалы, обладающие способностью изменять свою форму под воздействием внешнего напряжения и наоборот, представляют собой сложные соединения, содержащие такие элементы, как свинец, магний, ниобий и титан. Их уникальные свойства делают их многообещающими кандидатами для использования в различных передовых технологиях, включая компьютерную память, лазеры, используемые в научных инструментах, и высокоточные датчики.
Тем не менее, до сегодняшнего дня внимание ученых было сосредоточено на исследовании изменений свойств материалов на нано- и микромасштабе, что привело к определенному игнорированию мезоскопического масштаба, который охватывает диапазон от 10 миллиардных до 1 миллиона долей метра. Это упущение затрудняло полное понимание сложных процессов, происходящих в таких специализированных материалах. Однако, команда исследователей из Аргоннской национальной лаборатории, Университета Райса и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли DOE смогла преодолеть этот пробел, сосредоточив свои усилия на мезомасштабных свойствах релаксорного сегнетоэлектрика под электроядерным полем.
Релаксорные сегнетоэлектрики выделяются своей уникальной структурой, которая включает в себя множество малых пар положительных и отрицательных зарядов, называемых диполями, сгруппированных в структуры, ориентированные в определённые кластеры, известные как «полярные нанодомены». Когда на этот материал воздействует внешнее электрическое поле, диполи имеют тенденцию выстраиваться вдоль линии поля, что приводит к изменению формы или деформации самого материала. Наоборот, если на этот материал воздействует механическая деформация, то он способен изменить направление своих диполей, образуя тем самым новое электрическое поле.
В рамках своих исследований ученые использовали технологию, известную как когерентная рентгеновская нанодифракция, которая была доступна через жесткий рентгеновский нанозонд в Аргоннской национальной лаборатории. Эта методика позволила ученым получить детализированную карту мезомасштабных структур, присутствующих внутри релаксора. Результаты данного исследования являются важным вкладом в науку о материалах, поскольку они открывают новую платформу для дальнейших исследований и разработки новых технологий, которые могут получить выгоду из уникальных свойств релаксорных сегнетоэлектриков.
Значение этих открытий не ограничивается только теоретической частью, но также имеет обширные практические приложения. В связи с быстро развивающейся потребностью в более эффективных и высокопроизводительных технологиях, включая области хранения информации и датчиков, исследования, подобные приведенным, могут привести к созданию новых устройств и технологий, которые будут более надежными и эффективными, чем существующие аналоги. Существующая база данных и знания о мезоскопических свойствах релаксорного сегнетоэлектрика могут стать основой для разработки новых методов их применения в реальных условиях, и, следовательно, открывают множество новых направлений для научных исследований и инноваций.
Недавние исследования продемонстрировали, что, находясь под воздействием электрического поля, нанодомены способны самоорганизоваться в мезомасштабные структуры, состоящие из диполей, которые формируют сложные узоры, напоминающие плитку.
Научная команда осуществила анализ и смогла определить зоны деформации на границах этих образований, а также выявить области, которые наиболее активно реагируют на электрическое поле. Как заметил Джон Митчелл, почётный член Аргоннского университета: «Эти субмикромасштабные структуры представляют собой новый вид самосборки нанодоменов, который не наблюдался ранее. Поразительно, что нам удалось отследить их формирование вплоть до элементарных атомных движений на наномасштабном уровне — это невероятно!»
Выявление таких мезомасштабных структур открывает новые горизонты в проектировании миниатюрных электромеханических устройств, которые могут функционировать в режимах, когда-то считавшихся невозможными. Сделанный прорыв также связан с усовершенствованием рентгеновских лучей, которые теперь стали намного ярче и когерентнее благодаря недавнему обновлению Авангардной аналитической системы (APS). Это, в свою очередь, предоставляет учёным возможность продолжить оптимизацию устройств и оценить их потенциальные применения в области энергоэффективной микроэлектроники.
Применения таких технологий могут включать в себя, например, нейроморфные вычисления, разрабатываемые с учетом функционирования человеческого мозга. Эти достижения в материаловедении и физике конденсированного состояния подчеркивают важность дальнейшего изучения взаимодействий на нано- и мезомасштабах, предлагая новые подходы к разработке высокоэффективных электронных компонентов. Потенциал этих материалов в различных научных и промышленных сферах поистине огромен, в том числе в области сегнетоэлектриков и релаксеров, которые открывают новые перспективы для создания инновационных устройств.
В дополнение к этому, исследование также затронуло выяснение механизма образования макромолекул в протопланетных дисках, что дает возможность лучше понять происхождение строительных блоков жизни на Земле. Эти знания играют ключевую роль в области астрофизики и биохимии, так как раскрывают тайны, касающиеся условий, способствующих формированию сложных органических молекул в космических условиях.
Таким образом, последние достижения в области материаловедения и физики открывают радикально новые пути для разработки технологий, которые могут значительно изменить наше восприятие мира и возможности, которые он предоставляет. Осознание мезомасштабных структур и методы их создания — это только начало больших научных свершений, которые могут привести к революционным изменениям в разных областях, связанных как с микроэлектроникой, так и с исследованием Вселенной.