Materiały, których fizycy nie rozumieli od dekad. MIT zajrzał do ich wnętrza

Są w aparatach USG, mikrofonach, sonarach i czujnikach. Bardzo dobrze reagują na zmiany pola elektrycznego i potrafią magazynować energię, dlatego od dekad wykorzystuje się je w elektronice. Problem polegał na tym, że naukowcy do końca nie rozumieli, skąd biorą się ich niezwykłe właściwości. Teraz badacze z Massachusetts Institute of Technology po raz pierwszy odtworzyli trójwymiarową strukturę tych materiałów na poziomie atomów

Chodzi o tzw. relaksorowe ferroelektryki. To grupa materiałów, w których ładunki elektryczne wewnątrz struktury atomowej zachowują się w nietypowy sposób. Dzięki temu materiały te są wyjątkowo czułe i wydajne. Można je wykorzystywać m.in. do wykrywania drgań, fal dźwiękowych czy zmian ciśnienia.

Od lat fizycy podejrzewali, że źródłem tych właściwości są bardzo małe obszary wewnątrz materiału, w których atomy mają różny rozkład ładunków elektrycznych. Problem polegał jednak na tym, że takich struktur nie dało się wcześniej dokładnie zobaczyć.

Badacze z MIT wykorzystali technikę zwaną elektronową ptychografią. W uproszczeniu polega ona na przesuwaniu bardzo cienkiej wiązki elektronów nad próbką materiału i analizowaniu sposobu, w jaki elektrony rozpraszają się po przejściu przez strukturę atomową. Komputer składa następnie te dane w trójwymiarowy obraz.

„W każdym punkcie rejestrujemy wzór rozproszenia elektronów. Nakładające się dane pozwalają algorytmowi odtworzyć trójwymiarową strukturę materiału” – wyjaśnia Menglin Zhu, współautorka pracy.

W środku panował większy chaos, niż sądzono

Naukowcy badali materiał wykorzystywany m.in. w czujnikach i systemach sonarowych. Okazało się, że wewnętrzne obszary o różnych właściwościach elektrycznych są znacznie mniejsze, niż przewidywały dotychczasowe modele komputerowe. Badacze odkryli również, że atomy są uporządkowane w bardziej skomplikowany sposób, niż wcześniej zakładano.

„Wcześniejsze modele zakładały, że te niewielkie obszary wewnątrz materiału są rozmieszczone dość przypadkowo. Teraz możemy zobaczyć, jak wpływają na siebie nawzajem i jak obecność konkretnych atomów zmienia właściwości całego materiału” – mówi Michael Xu z MIT, współautor publikacji.

Nowe dane pozwoliły poprawić symulacje komputerowe opisujące działanie tych materiałów. To ważne, ponieważ dziś wiele nowych materiałów projektuje się komputerowo, zanim powstaną w laboratorium.

„Teraz, gdy lepiej rozumiemy, co dokładnie się dzieje, możemy skuteczniej projektować materiały o potrzebnych właściwościach: – mówi James LeBeau, profesor inżynierii materiałowej MIT.

Autorzy badania podkreślają, że dokładniejsze modele mogą pomóc w projektowaniu nowych pamięci komputerowych, czujników czy systemów magazynowania energii. Ich zdaniem nowe metody obrazowania pozwolą również badać inne materiały, których struktura do tej pory była zbyt złożona, by można ją było dokładnie opisać.

„To pierwszy przypadek, gdy udało się bezpośrednio połączyć trójwymiarową strukturę takiego materiału z obliczeniami komputerowymi opisującymi jego zachowanie” – podsumowuje Xu.

Źródła:

Zhu M., Xu M., Qi Y. i in., „Bridging experiment and theory of relaxor ferroelectrics with multislice electron ptychography”, „Science” 2026, t. 392, nr 6797, s. 519–523, DOI: 10.1126/science.ads6023.

Z. Winn, „The hidden structure behind a widely used class of materials”, MIT News, https://news.mit.edu/2026/hidden-structure-behind-widely-used-class-materials-0430 

• Nauki ścisłe i nauki o Ziemi