Lyijy pois nopeatoimisista akuista

Perinteiset akut muistuttavat paljon kameleja. Ne ovat hyviä varastoinnissa kuljetuksessa mutta eivät ole erityisen nopeita.

Suurempi kuva

Teknologioissa, jotka vaativat nopeaa energian purkamista, kuten sydändefibrillaattorit, käytetään usein vaihtoehtoisia materiaaleja, erityisesti antiferrosähköisiä aineita. Tunnettuja antiferrosähköisiä materiaaleja on vain kourallinen ja useimmat niistä sisältävät lyijyä, joten ne eivät ole turvallisia jokapäiväisiin sovelluksiin.

Nyt Cornellin johtama yhteistyö on löytänyt uuden lähestymistavan lyijyttömän antiferrosähköisen aineen valmistamiseksi, joka toimii yhtä hyvin kuin sen myrkylliset sukulaiset.

Lähtökohdaksi tutkijat päättivät kokeilla ohuita vismuttiferriittikalvoja – ferrosähköistä ainetta, jolla on suurin tunnetuin polarisaatio. He pinosivat vuorotellen vismuttiferriittikerroksia eristeiden kanssa luodakseen ferrosähköisen ohutkerrosrakenteen. Ferrosähköisten kerrosten ohentuessa tapahtui jotain aivan odottamatonta.

Tutkijat havaitsivat, että heidän ferrosähköinen rakenne superkorkealla polarisaatiolla muuttui yhtäkkiä antiferrosähköiseksi, jossa ei ollut nettopolarisaatiota. Näin syntyi aiemmin tuntematon perustila, joka ei olisi koskaan ollut mahdollista perusmateriaalikiteessä.

"Tavallisesti tutkimme aina materiaalin vakainta muotoa - sen alhaisinta energiatilaa", Julia Mundy selvittää. ”Ohutkalvoteknologiamme avulla havaitsimme, että oli mahdollista stabiloida sitä, mikä on tavallisesti saavuttamatonta eli korkeamman energian tilaa. Tässä tapauksessa korkeammalla energialla ja aiemmin tuntemattomalla tilalla on varsin hyödyllisiä ominaisuuksia."

Tutkijatiimi pystyi selvittämään syvällisemmin materiaalin "piilotettua" tilaa menetelmällä, joka pystyy näkemään atomeja ennätysresoluutiolla.

Näiden dipolien käyttäytyminen on Darrel Schlomin mukaan pohjimmiltaan "kahden jättiläisen taistelua", jossa ferrosähköinen materiaali yrittää polarisoida pinon viereiset eristyskerrokset ja viereiset eristävät kerrokset vastustavat polarisoitumista.

”On vaikea nähdä metastabiileja asioita; edes teoreetikot eivät olleet ymmärtäneet, että vismuttiferriitti voisi saada tämän muodon”, Schlom kertoo. "Mutta Julia näki sen ja elektronimikroskopian avulla hän pystyi kartoittamaan polarisaatiot ja näkemään, että se näyttää, haisee ja tuntuu antiferrosähköiseltä.

Lopulta teoreetikot pystyivät kuvailemaan tarkasti tämän uuden perustilan rakenteen ja vakauden ja selvittämään, kuinka sähköstatistiikka häiritsee energistä maisemaa tehden tästä antiferrosähköisestä muodosta vakaan.

Schlom kutsuu tätä uutta perustilaa "polymorfiaksi", koska siinä on edelleen samat atomit, mutta vain pieni rakennemuutos.

Esimerkiksi kondensaattoreissa käytetään antiferrosähköisiä aineita ja ne ovat jo nykyään ohutkalvomuodossa.

Sivuston uusin katsausartikkeli esittelee muitakin uusia moniferroisia tutkimustuloksia.