Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT, Hoa Kỳ) cùng các đồng nghiệp vừa lần đầu tiên đặc trưng hóa trực tiếp cấu trúc nguyên tử ba chiều của một vật liệu sắt điện relaxor - nhóm vật liệu đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ nhưng vẫn còn nhiều đặc điểm chưa được làm sáng tỏ. Kết quả nghiên cứu, công bố trên tạp chí Science, được kỳ vọng sẽ giúp hoàn thiện các mô hình thiết kế vật liệu cho các thiết bị tính toán, lưu trữ năng lượng và cảm biến thế hệ mới.

Vật liệu sắt điện relaxor từ lâu đã được sử dụng trong nhiều công nghệ như máy siêu âm y tế, micro, hệ thống sonar, cảm biến và các bộ truyền động trong lĩnh vực quốc phòng. Những tính chất đặc biệt của chúng được cho là bắt nguồn từ cấu trúc nguyên tử ở quy mô nanomet. Tuy nhiên, chính cấu trúc này lại nằm ngoài khả năng quan sát trực tiếp của các phương pháp đo lường hiện có. Các mô hình lý thuyết tiên tiến cho rằng khi chịu tác động của điện trường, sự tương tác giữa các nguyên tử mang điện tích trái dấu trong các vùng nano khác nhau sẽ tạo nên khả năng lưu trữ năng lượng và cảm biến vượt trội của vật liệu. Dù vậy, bản chất và cách sắp xếp của các vùng nano này vẫn chưa được xác định rõ.

Trong nghiên cứu mới, nhóm MIT đã sử dụng một kỹ thuật gọi là chụp ảnh ptychography điện tử nhiều lớp (multislice electron ptychography - MEP). Phương pháp này sử dụng một chùm electron năng lượng cao có kích thước nanomet quét qua bề mặt vật liệu, đồng thời ghi lại các mẫu nhiễu xạ điện tử tạo ra trong quá trình tương tác. Từ các vùng quét chồng lấn, các nhà nghiên cứu có thể tái dựng cấu trúc nguyên tử ba chiều với độ phân giải rất cao. Đối tượng được lựa chọn là hợp kim chì magnesium niobate - chì titanate, một trong những vật liệu sắt điện relaxor tiêu biểu hiện đang được sử dụng trong các cảm biến, bộ truyền động và nhiều hệ thống công nghệ có yêu cầu cao về độ chính xác.

Kết quả nghiên cứu mang lại những phát hiện ngoài dự đoán. Trong nhiều năm, các mô phỏng cho rằng bên trong vật liệu tồn tại những vùng nano điện tích đơn cực tương đối biệt lập. Tuy nhiên, dữ liệu thực nghiệm cho thấy cấu trúc thực tế phức tạp hơn nhiều. Thay vì các vùng đơn cực riêng lẻ, vật liệu chứa những vùng đa cực với mức độ tổ chức cao và các kiểu sắp xếp chưa từng được ghi nhận trước đây. Phát hiện này đặt ra yêu cầu xem xét lại một số giả định lâu nay về cơ chế hoạt động của vật liệu sắt điện relaxor.

Theo Giáo sư James LeBeau, tác giả liên hệ của nghiên cứu và là giáo sư khoa học vật liệu tại MIT, việc hiểu chính xác cấu trúc bên trong vật liệu sẽ giúp các nhà khoa học dự đoán và thiết kế tốt hơn những đặc tính mong muốn. Dù cộng đồng nghiên cứu đã đạt nhiều tiến bộ trong việc kỹ thuật hóa các vật liệu sắt điện relaxor, khả năng dự đoán chính xác vẫn phụ thuộc vào mức độ đúng đắn của các mô hình mô tả cấu trúc của chúng.

Khám phá này có ý nghĩa thực tiễn quan trọng. Việc kiểm soát tốt hơn các đặc tính của vật liệu sắt điện relaxor có thể dẫn tới những hệ thống lưu trữ năng lượng hiệu quả hơn, các cảm biến có độ nhạy cao hơn và các linh kiện điện tử hoạt động chính xác hơn. Trong bối cảnh nhu cầu về thiết bị siêu âm, sonar và cảm biến trong y tế, công nghiệp và quốc phòng tiếp tục gia tăng, những hiểu biết mới ở cấp độ nguyên tử có thể trở thành cơ sở cho việc phát triển thế hệ thiết bị tiếp theo.

NPA (Theo MIT News)