Compreender onde e como as transições de fase ocorrem é fundamental para o desenvolvimento de novas gerações de materiais usados ​​em baterias de alto desempenho, sensores, dispositivos de captação de energia, equipamentos de diagnóstico médico e outras aplicações. Mas até agora não havia uma boa maneira de estudar e, simultaneamente, mapear esses fenômenos nas escalas de comprimento relevantes.

Agora, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia e do Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL) desenvolveram uma nova técnica não destrutiva para investigar essas mudanças no material, examinando a resposta acústica em nanoescala. As informações obtidas com esta técnica - que usa sondas de microscópio de força atômica eletricamente condutora (AFM) - podem orientar os esforços para projetar materiais com propriedades aprimoradas em escalas de tamanho pequeno.

A abordagem tem sido usada em materiais ferroelétricos, mas também pode ter aplicações em ferroelásticos, ácidos protônicos sólidos e materiais conhecidos como relaxantes. Patrocinado pela National Science Foundation e pelo Office of Science do Departamento de Energia, a pesquisa foi relatada em 15 de dezembro no jornal Materiais Funcionais Avançados .

"Desenvolvemos uma nova técnica de caracterização que nos permite estudar mudanças na estrutura cristalina e mudanças no comportamento dos materiais em escalas de comprimento substancialmente menores com uma abordagem relativamente simples, "disse Nazanin Bassiri-Gharb, professor associado da Woodruff School of Mechanical Engineering da Georgia Tech. "Saber onde essas transições de fase acontecem e em quais escalas de comprimento pode nos ajudar a projetar materiais de próxima geração."

Em materiais ferroelétricos, como PZT (titanato de zirconato de chumbo), transições de fase podem ocorrer nos limites entre um tipo de cristal e outro, sob estímulos externos. Propriedades como os efeitos piezoelétricos e dielétricos podem ser amplificados nas fronteiras, que são causados ​​pela "química confusa" de vários elementos dos materiais. Determinar quando essas transições ocorrem pode ser feito em materiais a granel usando várias técnicas, e em escalas menores usando um microscópio eletrônico.

Os pesquisadores perceberam que podiam detectar essas transições de fase usando técnicas acústicas em amostras em escalas de tamanho entre o volume e dezenas de átomos. Usando técnicas de microscopia de força de resposta piezorresposta por excitação de banda (BE-PFM) desenvolvidas em ORNL, eles analisaram as mudanças resultantes nas frequências ressonantes para detectar mudanças de fase em tamanhos de amostra relevantes para as aplicações de materiais. Fazer isso, eles aplicaram um campo elétrico às amostras usando uma ponta de AFM que foi revestida com platina para torná-la condutora, e através da geração e detecção de uma banda de frequências.

"Temos técnicas muito boas para caracterizar essas mudanças de fase em grande escala, e temos sido capazes de usar microscopia eletrônica para descobrir quase atomisticamente onde ocorre a transição de fase, mas até que esta técnica fosse desenvolvida, não tínhamos nada no meio, "disse Bassiri-Gharb." Para influenciar a estrutura desses materiais por meio de produtos químicos ou outros, realmente precisávamos saber onde a transição termina, e em que escala de comprimento isso ocorre. Esta técnica preenche uma lacuna em nosso conhecimento. "

As mudanças que os pesquisadores detectam acusticamente são devido às propriedades elásticas dos materiais, portanto, virtualmente qualquer material com mudanças semelhantes nas propriedades elásticas poderia ser estudado dessa maneira. Bassiri-Gharb está interessado em ferroelétricos, como PZT, mas os materiais usados ​​nas células de combustível, baterias, transdutores e dispositivos de captação de energia também podem ser examinados dessa forma.

"Este novo método permitirá uma visão muito maior sobre a captação de energia e materiais de transdução de energia nas vendas de comprimentos relevantes, "observou Rama Vasudeven, o primeiro autor do artigo e cientista de materiais do Center for Nanophase Materials Sciences, uma instalação de usuário do Departamento de Energia dos EUA no ORNL.

Os pesquisadores também modelaram os materiais ferroelétricos relaxantes usando métodos termodinâmicos, que apoiou a existência de uma transição de fase e a evolução de um padrão de domínio complexo, de acordo com os resultados experimentais.

O uso da técnica baseada em AFM oferece uma série de recursos atraentes. Os laboratórios que já usam equipamento AFM podem facilmente modificá-lo para analisar esses materiais, adicionando componentes eletrônicos e uma ponta de sonda condutiva, Bassiri-Gharb anotado. O equipamento AFM pode ser operado sob uma faixa de temperatura, campo elétrico e outras condições ambientais que não são facilmente implementadas para análise de microscópio eletrônico, permitindo que os cientistas estudem esses materiais em condições operacionais realistas.

"Esta técnica pode sondar uma variedade de materiais diferentes em pequenas escalas e sob condições ambientais difíceis que seriam inacessíveis de outra forma, "disse Bassiri-Gharb." Os materiais usados ​​em aplicações de energia experimentam esses tipos de condições, e nossa técnica pode fornecer as informações de que precisamos para projetar materiais com respostas aprimoradas. "

Embora amplamente utilizado, relaxor-ferroelétricos e PZT ainda não são bem compreendidos. Em relaxor-ferroelétricos, por exemplo, acredita-se que existem bolsas de material em fases que diferem do volume, uma distorção que pode ajudar a conferir as propriedades atrativas do material. Usando sua técnica, os pesquisadores confirmaram que as transições de fase podem ser extremamente localizadas. Eles também aprenderam que altas respostas dos materiais ocorreram nesses mesmos locais.

Os próximos passos incluiriam a variação da composição química do material para ver se essas transições - e propriedades aprimoradas - podem ser controladas. Os pesquisadores também planejam examinar outros materiais.

"Acontece que muitos materiais relacionados à energia têm transições elétricas, então achamos que isso será muito importante para estudar materiais funcionais em geral, "Bassiri-Gharb acrescentou." O potencial para obter uma nova compreensão desses materiais e suas aplicações é enorme. "