Cientistas de materiais revelam caminho para projetar materiais ópticos com propriedades especializadas
Anisotropia óptica aprimorada por deslocamentos do plano Ti a – b. Crédito:Materiais Avançados (2024). DOI:10.1002/adma.202311559 Embora geralmente pensemos na desordem como uma coisa ruim, uma equipe de pesquisadores de ciência de materiais liderada por Rohan Mishra, da Universidade de Washington em St. Louis, e Jayakanth Ravichandran, da Universidade do Sul da Califórnia, revelou que - quando se trata de certos cristais – um pequeno distúrbio estrutural pode ter grandes impactos nas propriedades ópticas úteis.
Em um estudo publicado on-line em Advanced Materials , os primeiros autores Boyang Zhao, um estudante de pós-graduação em ciência de materiais da USC que trabalha com Ravichandran, e Guodong Ren, um estudante de pós-graduação que trabalha com Mishra no Instituto de Ciência e Engenharia de Materiais da WashU, descrevem um novo caminho para obter novas propriedades ópticas e eletrônicas de desordem estrutural .
Eles descobriram que pequenos deslocamentos de apenas alguns picômetros - 100.000 vezes menores que a espessura de uma folha de papel - na estrutura atômica de um cristal poderiam ter impactos mínimos nas propriedades ópticas em uma direção, mas produzir melhorias funcionais gigantescas quando vistos de outra direção. ângulo.
Nesse caso, o índice de refração do material, ou a quantidade de luz que se curva ou se desvia de seu caminho original ao passar, mudou drasticamente com a desordem atômica.
Tais melhorias funcionais poderiam ter aplicações práticas em imagens, sensoriamento remoto e até mesmo na medicina. Ao controlar o grau de desordem atômica para alcançar as propriedades ópticas desejadas, os pesquisadores antecipam o desenvolvimento de cristais que permitem imagens infravermelhas avançadas em condições de pouca luz, por exemplo, melhorando o desempenho de veículos autônomos que dirigem à noite ou de dispositivos de imagem médica.
"Há anos que trabalhamos com materiais semicondutores, descendo gradualmente na tabela periódica, procurando materiais que se comportem bem, mas que também façam coisas interessantes ou inesperadas", disse Ravichandran, presidente dotado de início de carreira de Philip e Cayley MacDonald e professor associado em a Escola de Engenharia Viterbi da USC.
"Quando começamos a procurar maneiras de obter mais ajuste - para criar materiais ideais para aplicações específicas - descobrimos que as propriedades variavam dramaticamente quando medidas em diferentes direções."
Quando os materiais têm propriedades ou comportamentos diferentes quando medidos ou observados em direções diferentes, isso é conhecido como anisotropia. Os materiais anisotrópicos têm características diferentes dependendo de como você os olha, e isso pode ter um enorme impacto em recursos como transmissão de luz, comportamento mecânico e outras propriedades físicas ou elétricas essenciais para o funcionamento de dispositivos cotidianos, como câmeras.
O material que a equipe estudou, sulfeto de bário e titânio (BaTiS3 ), um cristal hexagonal, já era conhecido por ter grande anisotropia óptica, mas os cientistas não conseguiam descobrir o porquê. Foram necessários anos de colaboração entre equipes da WashU, da USC e de vários laboratórios nacionais, mas eventualmente a equipe resolveu o caso.
"Estávamos vendo grandes discrepâncias entre a teoria e o experimento - iluminar o material em diferentes ângulos estava fazendo uma enorme diferença nas propriedades ópticas por razões que não eram claras", disse Mishra, professor associado de engenharia mecânica e ciência dos materiais no Escola de Engenharia McKelvey da WashU.
"A chave acabou sendo instabilidades estruturais que fazem com que certos átomos, neste caso os átomos de Ti, se desloquem de posições mais simétricas de maneira desordenada. Pequenos deslocamentos anisotrópicos apareceram em experimentos síncrotron de alta resolução, então sabíamos que observe mais de perto a estrutura atômica usando um microscópio eletrônico."
“Os deslocamentos na escala do picômetro são tão pequenos que você só os encontrará se os procurar especificamente”, acrescentou Ravichandran.
Esse nível de detalhe geralmente não é necessário, mesmo para pesquisas científicas de materiais de ponta, porque a luz vibra tão rapidamente que suaviza imperfeições locais em um material. Não dessa vez.
Ren e Zhao tiveram que analisar cada suposição e cada parte da teoria para descobrir como explicar a incompatibilidade entre teoria e experimento, disseram Mishra e Ravichandran, observando que resolver esse mistério só era possível através da colaboração.
Usando uma combinação de técnicas avançadas, incluindo difração de raios X de cristal único, ressonância magnética nuclear de estado sólido e microscopia eletrônica de transmissão de varredura, os pesquisadores encontraram evidências de deslocamentos atômicos anisotrópicos dos átomos de titânio em BaTiS3 . Esses deslocamentos incrivelmente pequenos em picoescala acontecem em aglomerados locais dentro do material, mas exercem uma influência profunda nas propriedades ópticas globais.
“O principal é que pequenos deslocamentos podem ter efeitos gigantescos”, disse Mishra. "Ainda estamos explorando como fatores como a temperatura podem alterar as propriedades ópticas deste material, mas com este estudo desenvolvemos uma compreensão profunda da relação entre desordem estrutural e resposta óptica. Isso ajudará à medida que continuamos a descobrir novos materiais e funcionalidades. "
