A fina estrutura da titanita de bário, uma alternativa potencial para titanita de chumbo, foi revelado por pesquisadores que empregam uma nova técnica ao longo do período de tempo extremamente curto em que ocorrem os fenômenos ferroelétricos experimentados por esses materiais. A investigação deve auxiliar na exploração de como substituir o titanato de chumbo por outros materiais, de modo que sua ampla aplicabilidade pode ser desfrutada, evitando seu papel na poluição por chumbo.

Pesquisadores no Japão usaram um romance, técnica ultra-rápida para explorar a estrutura fina de um potencial material alternativo ao titanato de chumbo, um material ferroelétrico amplamente utilizado para sensores em muitos dispositivos do dia-a-dia. A compreensão dessa estrutura nos leva um passo mais perto de eliminar essas fontes remanescentes de poluição por chumbo.

O estudo foi publicado na revista científica de materiais Acta Materialia em 21 de janeiro.

Materiais ferroelétricos são usados ​​em uma ampla gama de aplicações práticas, de capacitores a células de memória, ultrassom médico para armazenamento de dados e displays. Esses materiais têm uma polarização espontânea, ou direção, de seus elétrons que podem ser alternados para frente e para trás por meio da aplicação de um campo elétrico, chamado ferroeletricidade.

No mundo todo, a sociedade está cada vez mais reconhecendo a necessidade de reduzir a poluição de todas as atividades e dispositivos, mas para avançar esta meta, um entendimento ainda mais profundo da estrutura de muitos materiais usados ​​atualmente deve primeiro ser alcançado. Entre a grande família de vários materiais ferroelétricos, o titanato de chumbo é comumente usado em sensores que medem a pressão, aceleração, temperatura, cepa, ou força em uma série de dispositivos comuns. Há muito que se demonstrou que a poluição por chumbo é extremamente prejudicial ao cérebro humano, e enquanto a maioria das jurisdições proibiu o chumbo em tintas e gasolina, a busca para desenvolver materiais alternativos para tais dispositivos ainda precisa ser concluída.

Algumas pesquisas foram realizadas em titanatos de perovskita, uma família de materiais ferroelétricos que combinam óxido de titânio (TiO) com chumbo, bário, estrôncio ou cálcio. O prefixo perovskita simplesmente descreve a estrutura do cristal, cada um dos quais os membros da família compartilham. Uma estrutura cristalina comum, por sua vez, significa que o chumbo poderia ser potencialmente substituído pelo bário, menos ameaçador para o meio ambiente (devido aos íons terem tamanho e carga semelhantes).

Esta pesquisa anterior identificou uma ligação clara entre a hibridização de orbitais de elétrons de diferentes átomos constituintes do titanato de perovskita e suas propriedades ferroelétricas.

"A próxima etapa, portanto, foi obter de alguma forma a observação direta do estado desses elétrons à medida que o campo elétrico estava sendo aplicado, "diz Nobuo Nakajima, da Escola de Graduação em Ciência e Engenharia Avançada da Universidade de Hiroshima, um co-autor do estudo. "Isso exigia observações ultrarrápidas."

Portanto, a equipe combinou a espectroscopia de absorção de raios-X (XAS) com uma abordagem resolvida no tempo. XAS envolve a interação de um raio-X com os elétrons do núcleo profundo de um átomo, em vez de seus elétrons externos (ou de valência). A medição desta interação permite a descrição da estrutura fina do material. Uma abordagem resolvida no tempo envolve o uso desta técnica para estudar as mudanças dinâmicas no material no tipo de escalas de tempo extremamente curtas em que fenômenos como a reversão da polarização ferroelétrica ocorrem. Ele permite que os pesquisadores detectem as menores mudanças nos espectros e estados eletrônicos em campos elétricos. A combinação das duas técnicas foi realizada pela primeira vez, em titanato de bário.

Os pesquisadores descobriram que, além da hibridização orbital entre titânio e oxigênio que já havia sido identificada, um efeito semelhante foi detectado entre o bário e o estado dos elétrons do titânio. Isso também contribuiu para a reversão da polarização no titanato de bário.

Eles esperam que sua nova técnica aplicada a um titanato de perovskita paralelo possa fornecer pistas para o que eles descrevem como a "natureza oculta" do titanato de chumbo, e levar o mundo um passo mais perto da eliminação da poluição por chumbo.