EPFL -forskare har gjort en viktig upptäckt om strukturen av bariumtitanat, ett material som används i vardagliga föremål. Deras fynd motbevisar befintliga teorier om förskjutning av materialets atomer.

Bariumtitanat är ett ferroelektriskt material som används i nästan alla elektroniska enheter - datorer, smartphones och till och med elbilar. Det används för att göra sensorerna och kondensatorerna de körs på, till exempel. "En enda smartphone har i allmänhet cirka 700 kondensatorer som innehåller bariumtitanat, och biljoner av dessa kondensatorer tillverkas varje år, "säger Dragan Damjanovic, en EPFL -professor och chef för gruppen för ferroelektriska och funktionella oxider vid EPFL:s tekniska högskola. Trots bariumtitanats utbredda användning, dock, forskare förstår fortfarande inte helt hur det fungerar. "Det finns naturligtvis teoretiska modeller där ute, men några av deras nyckelförutsägelser har aldrig bekräftats experimentellt. Så det var vad vi tänkte göra, säger Damjanovic.

Ett av världens mest kraftfulla mikroskop

Emad Oveisi, en senior forskare vid EPFL:s tvärvetenskapliga centrum för elektronmikroskopi, föreslog att Damjanovic och hans doktorsexamen student Sina Hashemizadeh använder sitt center Titan Themis - ett av världens mest kraftfulla elektronmikroskop - för sin forskning. Titan Themis gjorde det möjligt för forskarna att observera teatomiska strukturer av bariumtitanat och barium-strontiumtitanat i kubikfasen. Det var tillbaka 2015, när de fick de första bilderna; det tog ytterligare fem år att analysera och verifiera deras resultat. "Tills nu, forskare trodde att atomerna rör sig i flera riktningar på mycket kort tid. Men våra experiment visade att de tenderar att föredra vissa riktningar, vilket betyder att det finns områden i nanometrisk storlek där alla teatrar rör sig på samma sätt. Det förändrar helt hur vi ser på dessa material och deras atomstruktur, "säger Oveisi. Eftersom deras resultat motsäger det nuvarande tänkandet, forskarna ville se till att de hade rätt. Så de testade och kontrollerade sina resultat flera gånger, inklusive med kamrater i Slovenien, Österrike och Japan. Därför tog det fem år att slutföra resultaten. Studien har nu publicerats i Naturkommunikation .

Småskaliga fenomen med storskaliga konsekvenser

Tack vare de avancerade bildanalysmetoderna, forskarna kunde identifiera var i materialet atomerna rör sig på ett ordnat sätt. "När vi pratar om rörelser, vi syftar faktiskt på förskjutningar som sker på en pikometer skala - det vill säga en storleksordning mindre än atomerna själva, "säger Oveisi. Damjanovic tillägger:" Även om förskjutningarna är extremt små, de har återverkningar i en mycket större skala. Till exempel, om vi exponerar de nanometriska områdena vi identifierade för ett högfrekvent elektriskt fält som i smartphones, områdena värms upp. "Hans teams resultat kan därför vara oerhört användbara för att bättre förstå energiförlust i den här typen av material.

Så vad är nästa steg? "Forskningen tar aldrig slut!" säger Damjanovic. "Frågan om den nanometriska förskjutningen verkligen spelar en roll vid uppvärmning av materialet måste testas. Och om det gör det, nästa steg blir att utveckla material där storleken på förskjutningsområdet minimeras för att förbättra materialets egenskaper. "