راز ۳۰ ساله مواد هوشمند فاش شد؛ ساخت نقشه سهبعدی اتمی برای اولین بار
محققان MIT برای نخستینبار نقشه سهبعدی کامل از ساختار اتمی یک ماده مرموز را ثبت کردند؛ دستاوردی که میتواند یکی از معماهای قدیمی علم مواد را درباره رفتار مواد فرروالکتریک آرام (Relaxor Ferroelectrics) حل کند و مسیر طراحی نسل جدید فناوریهای الکترونیکی و حسگری را تغییر دهد.
کشف مهم در قلب علم مواد
به گزارش ساینس یلی، برای دههها مواد فرروالکتریک آرام در فناوریهایی مانند تجهیزات سونوگرافی، میکروفونها و سیستمهای سونار به کار رفتهاند اما دلیل رفتار غیرعادی و بسیار کارآمد آنها در ذخیره و تبدیل انرژی بهطور دقیق مشخص نبود. مشکل اصلی این بود که ساختار اتمی این مواد بهقدری پیچیده و نامنظم است که امکان مشاهده مستقیم آن وجود نداشت.
اکنون تیمی از پژوهشگران در Massachusetts Institute of Technology (MIT) به همراه چند موسسه دیگر موفق شدهاند برای اولینبار ساختار اتمی سهبعدی یک نمونه از این مواد را بهطور مستقیم نقشهبرداری کنند. نتایج این پژوهش در مجله معتبر Science منتشر شده است.
به گفته سرپرست این پژوهش James M. LeBeau استاد علم و مهندسی مواد در MIT این دستاورد یک گام اساسی برای طراحی مواد آینده محسوب میشود.
او تاکید میکند که بدون شناخت دقیق ساختار واقعی ماده مدلهای علمی نمیتوانند رفتار آن را درست پیشبینی کنند؛ موضوعی که در مهندسی مواد بسیار حیاتی است.
در این تحقیق پژوهشگران از روش نوظهور میکروسکوپ الکترونی با تکنیک ptychography چندلایه (MEP) استفاده کردند. این روش با ارسال پرتوهای الکترونی به مقیاس نانو و ثبت الگوهای پراش، امکان بازسازی اطلاعات سهبعدی از ساختار ماده را فراهم میکند.
به گفته پژوهشگران این روش مانند ساختن یک تصویر سهبعدی از ردیفهای همپوشان اطلاعات الکترونی عمل میکند و به کمک الگوریتمهای پیشرفته ساختار داخلی ماده را بازسازی میکند.
نتایج نشان دادند که میزان بینظمی شیمیایی در این مواد بسیار بیشتر از چیزی است که مدلهای قبلی فرض میکردند. این موضوع باعث شد دانشمندان مدلهای شبیهسازی رایانهای را اصلاح کنند.
به گفته دو پژوهشگر اصلی Michael Xu و Menglin Zhu ترکیب دادههای تجربی با شبیهسازیها باعث شد بتوانند رفتار واقعی ماده را بسیار دقیقتر بازسازی کنند.
مادهای کلیدی در فناوریهای حساس
نمونه بررسیشده در این پژوهش آلیاژی از سرب منیزیم نیوبات–سرب تیتانات بود؛ مادهای که در حسگرها، عملگرها و تجهیزات دفاعی استفاده میشود. این مواد به دلیل توانایی بالا در تبدیل انرژی مکانیکی و الکتریکی اهمیت زیادی در فناوریهای پیشرفته دارند.
ارتباط ساختار اتمی با رفتار الکتریکی
نتایج نشان داد که در این مواد نواحی بسیار کوچک با بارهای مثبت و منفی به شکل پیچیدهای با یکدیگر تعامل دارند و همین موضوع باعث ویژگیهای منحصربهفرد آنها در ذخیره انرژی و حساسیت بالا میشود. پژوهشگران همچنین دریافتند که این نواحی قطبش بسیار کوچکتر از چیزی هستند که شبیهسازیهای قبلی پیشبینی میکردند.
دانشمندان معتقدند این روش جدید میتواند راه را برای طراحی دقیقتر مواد در حوزههای مختلف از جمله حافظههای پیشرفته حسگرهای دقیقتر و فناوریهای انرژی هموار کند.
به گفته LeBeau با پیشرفت هوش مصنوعی و ابزارهای محاسباتی، علم مواد به سمت طراحی پیچیدهتر حرکت کرده است؛ اما اگر مدلها دقیق نباشند نتایج نیز قابل اعتماد نخواهند بود. این فناوری جدید میتواند پلی میان مدلهای نظری و رفتار واقعی مواد ایجاد کند.
انتهای پیام/
