ساختارهای نانومقیاس ناشی از گرما خواص الکترومکانیکی را در سرامیک ها باز می کنند

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

دانشمندان روش جدیدی را برای ساخت مواد سرامیکی ابداع کرده‌اند که می‌تواند گرمای شدید را بهتر تحمل کند و به عملکرد قابل اعتماد در حسگرها و محرک‌ها ادامه دهد. این رویکرد ساختارهای ریزی را در سراسر ماده ایجاد می کند که خواص الکتریکی و مکانیکی جدیدی به آن می بخشد.

تیم بین المللی آنچه را که آنها به عنوان "هتروساختارهای فروالکتریک حجیم" توصیف می کنند در یک سرامیک فریت باریم تیتانات بیسموت بدون سرب ایجاد کرده اند.

به جای مصالح ساختمانی از بسیاری از لایه های فوق نازک برای ایجاد اثرات الکتریکی مفید، محققان از گرما برای سازماندهی مجدد مواد از درون استفاده کردند. این باعث ایجاد نواحی کوچک با ترکیبات شیمیایی کمی متفاوت در سرامیک شد که هر کدام هزاران بار کوچکتر از عرض یک موی انسان است.

این مناطق با هم یک شبکه داخلی را تشکیل دادند که نحوه حرکت الکتریسیته و نیروهای مکانیکی در مواد را تغییر داد.

این مطالعه که در Science Advances منتشر شده است، به یک چالش طولانی مدت در علم مواد می پردازد. بسیاری از رفتارهای الکتریکی و الکترومکانیکی غیرعادی که در رابط ها ظاهر می شوند را می توان در دستگاه های لایه نازک به دست آورد، اما تبدیل این اثرات به مواد جامد مناسب برای کاربردهای عملی دشوار است.

مطالعه جدید راهی را برای بازتولید این اثرات رابط محور در داخل یک معماری سرامیکی مقیاس پذیر نشان می دهد.

زمینه های کاربردی بالقوه شناسایی شده توسط محققان شامل حسگرهای پیزوالکتریک با دمای بالا، مبدل های اولتراسونیک و محرک های الکترومکانیکی است، به ویژه در شرایطی که مواد معمولی با محدودیت هایی به دلیل دما، بارگذاری الکتریکی یا الزامات پایداری طولانی مدت مواجه هستند.

دکتر دیوید هال، خواننده مؤسسه مواد سرامیک و سرامیک دانشگاه منچستر، می‌گوید: "بسیاری از جالب‌ترین رفتارها در مواد فروالکتریک از لحاظ تاریخی به لایه‌های نازک محدود شده‌اند، جایی که رابط‌ها را می‌توان به دقت مهندسی کرد. آنچه ما نشان دادیم این است که اثرات سطحی مشابهی را می‌توان در سرامیک جامد ایجاد کرد. این فرصت‌های جدیدی برای کنترل رفتار الکتریکی و مکانیکی این مواد ایجاد می‌کند."

محققان با استفاده از میکروسکوپ با وضوح اتمی، طیف‌سنجی و مدل‌سازی محاسباتی دریافتند که عملیات حرارتی پارتیشن‌بندی عنصری در مقیاس نانو را انجام می‌دهد و نواحی غنی از Bi و Ba را در یک شبکه کریستالی منسجم ایجاد می‌کند. این نواحی متمایز از نظر ترکیب، میدان‌های الکتریکی محلی، میدان‌های کرنش الاستیک و دیواره‌های باردار ایجاد می‌کنند که بر نحوه رفتار مواد تحت بارگذاری الکتریکی و مکانیکی تأثیر می‌گذارند.

یکی از قابل توجه ترین یافته ها تاثیر بر عملکرد حرارتی بود. محققان دمای کوری را 824 درجه سانتیگراد (1515 درجه فارنهایت) در ماده مهندسی شده گزارش کردند که بیش از 350 درجه سانتیگراد بالاتر از ماده اولیه است. سرامیک همچنین عملکرد پیزوالکتریک قوی را در دماهای مربوط به کاربردهای سنجش و نظارت صنعتی حفظ کرد.

این تیم همچنین روشی را برای ایجاد رفتار فروالکتریک قابل برنامه ریزی نشان دادند. با ترکیب تهویه الکتریکی یا مکانیکی با پیری حرارتی، آنها توانستند تنظیمات دامنه ترجیحی را در ماده جاگذاری کنند. این پیکربندی‌ها پس از اعمال میدان‌های الکتریکی قوی، قابل بازیابی باقی می‌مانند و پاسخ‌های الکترومکانیکی برگشت‌پذیر را امکان‌پذیر می‌سازند که دستیابی به آن در فروالکتریک‌های فله معمولی اغلب دشوار است.

در یک پیکربندی، محققان به کرنش های برشی برگشت پذیر بزرگ دست یافتند، مشخصه ای که می تواند در فناوری های محرک مفید باشد. این مطالعه همچنین میدان‌های بایاس داخلی بیش از 8 MV m-1 را گزارش می‌کند که به طور قابل‌توجهی بیشتر از مواردی است که معمولا در مواد فروالکتریک فله سنتی مشاهده می‌شود.

این کار مبتنی بر حدود یک دهه تحقیق در مورد سرامیک های پیزوالکتریک بدون سرب در دانشگاه منچستر است و قبلا منجر به حفاظت از مالکیت معنوی برای مواد اساسی و رویکرد تولید شده است. تیم تحقیقاتی پشت این مطالعه از ترجمه تحقیق به سمت کاربردهای صنعتی بالقوه پشتیبانی می کند.

این مطالعه شامل محققانی از دانشگاه منچستر، موسسه هنری رویس، دانشگاه شانگهای تک، آکادمی علوم چین، منبع نور الماس، دانشگاه لیدز و دانشگاه شفیلد هالام بود.

دکتر هال افزود: "اهمیت گسترده‌تر این کار این است که چارچوب طراحی جدیدی را معرفی می‌کند. به جای تمرکز صرف بر تغییر ترکیب، می‌توانیم از خودسازماندهی کنترل‌شده در مقیاس نانو برای ایجاد قابلیت‌های جدید مستقیما در یک ماده استفاده کنیم. ما معتقدیم که این مفهوم می‌تواند در طیف وسیع‌تری از مواد فرویک در آینده اعمال شود."

Yizhe Li و همکاران، هتروساختارهای فروالکتریک فله، پیشرفت علم (2026). DOI: 10.1126/sciadv.aef9861

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →