Cientistas do MIT Revelam Estrutura Oculta de um Material Tecnológico Misterioso
Os materiais conhecidos como ferroelettricos relaxores têm desempenhado um papel significativo por décadas em tecnologias como imagem por ultrassom, microfones e sonar. Seu desempenho incomum decorre da maneira como os átomos estão organizados internamente. No entanto, medir diretamente essa estrutura interna tem sido extremamente desafiador, levando os cientistas a confiar em modelos incompletos.
Agora, pesquisadores do MIT e instituições parceiras conseguiram, pela primeira vez, mapear a estrutura atômica tridimensional de um ferroelettrico relaxor. Seus resultados, que serão publicados na Science, oferecem uma base mais clara para aprimorar os modelos usados no design de futuros sistemas computacionais, dispositivos energéticos e sensores avançados.
“Agora que temos uma melhor compreensão do que realmente está acontecendo, podemos prever e projetar melhor as propriedades que queremos que os materiais atinjam”, afirma James LeBeau, autor correspondente e Professor Kyocera de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT. “A comunidade de pesquisa ainda está desenvolvendo métodos para projetar esses materiais, mas para prever as propriedades que eles terão, você precisa saber se seu modelo está correto.”
Descobrindo Padrões de Carga Ocultos em Materiais Complexos
No estudo, a equipe utilizou um método de imagem de ponta para examinar como as cargas elétricas estão distribuídas pelo material. O que eles descobriram desafiou suposições anteriores.
“Percebemos que a desordem química que observamos em nossos experimentos não foi totalmente considerada anteriormente”, dizem os co-primeiros autores Michael Xu PhD ’25 e Menglin Zhu, ambos pós-doutorandos no MIT. “Trabalhando com nossos colaboradores, conseguimos combinar as observações experimentais com simulações para refinar os modelos e prever melhor o que vemos nos experimentos.”
A equipe de pesquisa também incluiu Colin Gilgenbach e Bridget R. Denzer, alunos de doutorado do MIT em ciência e engenharia de materiais; Yubo Qi, professor assistente na Universidade do Alabama em Birmingham; Jieun Kim, professor assistente na Korea Advanced Institute of Science and Technology; Jiahao Zhang, ex-aluno de doutorado da Universidade da Pensilvânia; Lane W. Martin, professor na Universidade Rice; e Andrew M. Rappe, professor na Universidade da Pensilvânia.
Investigando Materiais Desordenados em Escala Atômica
Modelos computacionais há muito sugere que, quando um campo elétrico é aplicado aos ferroelettricos relaxores, interações entre átomos carregados positiva e negativamente dentro de pequenas regiões ajudam a criar suas fortes habilidades de armazenamento de energia e sensoriamento. Até agora, essas regiões em escala nanométrica não puderam ser observadas diretamente.
Para investigar mais a fundo, os pesquisadores se concentraram em um material amplamente utilizado em sensores, atuadores e sistemas de defesa, uma liga de niobato de magnésio de chumbo-titanato de chumbo. Eles aplicaram uma técnica avançada chamada ptychografia eletrônica de múltiplas fatias (MEP). Este método envolve escanear um feixe de elétrons de alta energia em escala nanométrica pelo material e registrar os padrões de difração resultantes.
“Fazemos isso de maneira sequencial, e em cada posição, adquirimos um padrão de difração”, explica Zhu. “Isso cria regiões de sobreposição, e essa sobreposição contém informações suficientes para usar um algoritmo para reconstruir iterativamente informações tridimensionais sobre o objeto e a função de onda dos elétrons.”
Usando essa abordagem, a equipe descobriu uma hierarquia em camadas de estruturas químicas e polares, que se estendiam desde átomos individuais até características mesoscópicas maiores. Eles também descobriram que regiões com polarização diferente eram significativamente menores do que as previsões feitas anteriormente por simulações. Ao incorporar essas observações em seus modelos, os pesquisadores foram capazes de melhorar a correspondência entre as simulações e o comportamento observado na realidade.
“Anteriormente, esses modelos basicamente apresentavam regiões aleatórias de polarização, mas não diziam como essas regiões se correlacionam umas com as outras”, diz Xu. “Agora podemos fornecer essas informações e podemos ver como espécies químicas individuais modulan a polarização dependendo do estado de carga dos átomos.”
Rumo a Materiais Melhores para Tecnologias Futuras
De acordo com Zhu, os achados destacam o crescente potencial da ptychografia eletrônica para explorar materiais complexos e desordenados e podem abrir novos caminhos para pesquisas.
“Este estudo é a primeira vez que conseguimos conectar diretamente a estrutura polar tridimensional dos ferroelettricos relaxores com cálculos de dinâmica molecular usando um microscópio eletrônico”, afirma Xu. “Isso comprova ainda mais que é possível obter informações tridimensionais da amostra usando essa técnica.”
A equipe acredita que este método pode, eventualmente, ajudar cientistas a projetar materiais com propriedades eletrônicas personalizadas, melhorando tecnologias como armazenamento de memória, sistemas de sensoriamento e dispositivos energéticos.
“A ciência dos materiais está incorporando mais complexidade no processo de design de materiais — seja para ligas metálicas ou semicondutores — à medida que a IA melhora e nossas ferramentas computacionais se tornam mais avançadas”, diz LeBeau. “Mas se nossos modelos não forem precisos o suficiente e não tivermos maneira de validá-los, é lixo que se coloca, lixo que se tira. Esta técnica nos ajuda a entender por que o material se comporta da maneira que se comporta e a validar nossos modelos.”
A pesquisa foi apoiada em parte pelo Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA, pela Escritório de Pesquisa Naval dos EUA, pelo Departamento de Guerra dos EUA e por uma Bolsa de Estudos de Pós-Graduação da National Science. O trabalho também utilizou as instalações do MIT.nano.
