Verborgen structuur relaxor-ferro-elektrica ontrafeld

Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben de atomaire structuur van relaxor-ferro-elektrica direct in 3D zichtbaar gemaakt. Deze materiaalklasse wordt al decennialang toegepast in sensoren, sonar en actuatoren, maar het onderliggende gedrag was tot nu toe slechts deels verklaard met modellen.

De nieuwe inzichten kunnen grote gevolgen hebben voor het ontwerp van functionele materialen in elektronica, energie en precisie-meettechniek. Het onderzoek is gepubliceerd in Science.

Relaxor-ferro-elektrica: belangrijk maar niet volledig begrepen

Relaxor-ferro-elektrica, een klasse ferro-elektrische materialen met sterk diffuse faseovergangen en lokale elektrische ordening, worden breed toegepast in onder meer:

• ultrasone sensoren
• medische beeldvorming
• sonarapparatuur
• micropositionering in precisiesystemen

Ondanks deze toepassingen bleef de kernvraag bestaan hoe de interne structuur op atomaire schaal precies is opgebouwd, en waarom dit leidt tot hun uitzonderlijke elektromechanische eigenschappen.

Tot nu toe waren alleen gemiddelde structuren bekend uit modellen en indirecte metingen, waardoor lokale variaties in het kristalrooster grotendeels buiten beeld bleven.

Nieuwe beeldvormingstechniek

Het MIT-team gebruikte een nieuwe elektronenmicroscopische techniek: multi-slice electron ptychography. Hierbij worden elektronen door het materiaal gestuurd en wordt op basis van interactiepatronen een driedimensionale reconstructie van de atomaire structuur opgebouwd. Deze methode maakt het mogelijk om niet alleen de gemiddelde kristalstructuur te zien, maar ook lokale afwijkingen op nanoschaal.

Wat de onderzoekers hebben ontdekt

De metingen laten zien dat relaxor-ferro-elektrica een sterk heterogene interne structuur hebben. Op nanoschaal bestaan kleine domeinen waarin atomen subtiel verschoven staan, met lokale elektrische polarisatievelden als gevolg.

Belangrijke observaties:

• de lokale domeinen zijn ruimtelijk geordend in plaats van willekeurig verdeeld
• er is sprake van onderlinge interactie op korte afstand
• deze lokale variaties bepalen direct de macroscopische materiaaleigenschappen

Daarmee blijkt dat het gedrag van deze materialen niet kan worden verklaard met een uniforme kristalstructuur, maar voortkomt uit een complex patroon van lokale verstoringen.

Gevolgen voor modellering en materiaalontwerp

De resultaten hebben directe impact op hoe relaxor-ferro-elektrica worden gemodelleerd. Veel bestaande simulaties gaan uit van gemiddelde, homogene structuren, maar dat blijkt onvoldoende om het werkelijke gedrag te beschrijven.

Dat betekent:

• lokale structuurvariaties moeten expliciet worden meegenomen in modellen
• koppeling tussen simulatie en werkelijke microstructuur wordt belangrijker
• ontwerp van nieuwe materialen kan nauwkeuriger worden gestuurd

Betekenis voor industrie en toepassingen

Voor high-tech toepassingen kan dit onderzoek op termijn leiden tot materialen met hogere gevoeligheid, betere efficiëntie en meer controleerbare respons.

Daarnaast is de methodische stap belangrijk: met geavanceerde elektronenmicroscopie en 3D-reconstructie wordt het mogelijk om materiaaleigenschappen direct te koppelen aan atomaire structuur. Dat verkleint de afstand tussen materiaalkundige theorie, simulatie en praktische toepassing.