Электромеханические свойства релаксоров связали с положением атомов в решетке
Физики обнаружили связь между необычными свойствами сегнетоэлектрических релаксоров, в частности его диэлектрической проницаемости и электромеханических характеристик, с локальным порядком кристаллической структуры. Ученые проанализировали материалы с помощью нейтронного и рентгеновского рассеяния и обнаружили, что возникающие в спектрах необычные элементы связаны со смещением атомов кислорода относительно их равновесных позиций за счет локальных антиферроэлектрических и сегнетоэлектрических взаимодействий. Именно из-за этого у релаксоров появляются, например, пьезоэлектрические свойства, пишут ученые в Nature Materials.
Релаксоры — один из наиболее необычных типов сегнетоэлектрических материалов. Как и в других кристаллах с сегнетоэлектрическими свойствами, при понижении температуры в релаксорах спонтанно возникает электрическая поляризация и появляется выраженная доменная структура, однако переход в такое состояние происходит переход не скачком, а размазан по температуре. Одна из причин этих необычных свойств — сложная кристаллическая структура материала, в которой чередуются области, отличающиеся между собой по химическому составу и степени упорядоченности. Например, в одном из недавних исследований физики показали, что эти области не имеют четких границ, а переход между ними обладает градиентной структуру, что и приводит к растягиванию поляризации по температуре.
Физики из США, Канады и Китая под руководством Дэниела Фелана (Daniel P. Phelan) из Аргоннской национальной лаборатории обнаружили, что необычное локальное упорядочение в кристаллической структуре сегнетоэлектрических релаксоров влияет и на другие их физические свойства, в частности на диэлектрическую проницаемость и способность менять свои механические свойства под действием электрического тока. Стоит отметить, что диэлектрические и электромеханические свойства релаксоров уже неоднократно пытались связать с локальной структурой и химическим составом этих материалов, однако из-за большого разнообразия вариантов структуры эти данные оставались довольно противоречивыми.
В своей работе ученые исследовали один из наиболее типичных представителей этого класса материалов — релаксор на основе свинца, который имеет структуру перовскита и состоит из двух фаз: смешанного титаната-ниобата состава PbTi1/3Nb2/3O3 и чистого титаната свинца PbTiO3. С помощью методов нейтронного и рентгеновского рассеяния физики изучили несколько материалов с различным соотношением фаз и обнаружили в них четыре возможных способа упорядочения.
В зависимости от фазового состава атомы кислорода и катионы металлов могут смещаться относительно своих начальных позиций в кристаллической решетке, что может отражаться, с одной стороны на физических свойствах материала, а с другой — проявляются в виде особых структур на картинах рассеяния. Один из наиболее характерных для релаксоров типов элементов на этих двумерных спектрах — структура в форме бабочки, которая соответствует асимметричному смещению атомов кислорода в решетке.
По словам авторов работы, во время предыдущих попыток исследовать структуру релаксоров с помощью нейтронного рассеяния удавалось получить информацию лишь о нескольких зонах Бриллюэна и зафиксировать эту асимметрию не удавалось. Авторам работы удалось связать полученные особенности спектра с физическими свойствами релаксоров, в результате чего они выяснили, что «бабочки» на спектрах не связаны с аномальной диэлектрической проницаемостью материалов, как считалось ранее. Кроме того, ученые показали, что электромеханические свойства материалов, важные для их дальнейшего использования (например, в качестве пьезоэлементов) определяются совместным действием как минимум двух типов сил: антиферроэлектрического локального взаимодействия и тех сил, которые приводят к сегнетомагнитному упорядочению. Именно эти взаимодействия между атомами в искаженной кристаллической структуре приводят к появлению у релаксоров пьезоэлектрических свойств.
Физики отмечают, что пока им удалось лишь связать карту рассеяния с электромеханическими свойствами, однако какие конкретно изменения в кристаллической структуре соответствуют этим изменениям, установить не удалось. В дальнейшем ученые планируют более детально связать эти изменения с составом материала и разработать способ для управления пьезоэлектрическими свойствами и диэлектрической проницаемостью сегнетоэлектрических релаксоров — как для материалов на основе свинца, так для менее токсичных составов с аналогичными свойствами.
Возможные способы применения сегнетоэлектрических релаксоров не ограничиваются использованием их пьезоэлектрических свойств. Например, недавно американские физики создали из пленки релаксора толщиной 150 нанометров пироэлектрический материал, который способен преобразовывать тепловую энергию в электрическую с рекордными значениями плотности энергии и коэффициента полезного действия.
Александр Дубов
Это нельзя объяснить классической теорией разрушения
Физики экспериментально продемонстрировали, что скорость трещины от растяжения в хрупком нео-гуковском материале может превосходить предел, диктуемый классической моделью такого разрушения, — скорость Рэлея. Исследование опубликовано в журнале Science. Изучать механизмы разрушения в основном важно для инженерных задач: при проектировании конструкций, выборе материалов, а также для геофизики — например, при описании землетрясений. В частности, интерес представляет скорость распространения трещин при разных типах разрушений. Когда материал разрушается из-за растяжения в перпендикулярном плоскости трещины направлении, классическая линейно-упругая механика разрушения разрешает трещине распространяться не быстрее скорости Рэлея (характеристика среды). Более высокие скорости нарушают баланс между потоком потенциальной энергии в область разрушения и энергетическими затратами на рост трещины, на котором основана модель. Это ограничение, однако, не согласуется с компьютерными симуляциями поведения гиперупругих материалов, что говорит о неполноте классической модели. Тем не менее, надежное экспериментальное подтверждение скорости трещин при растяжении выше рэлеевских до недавнего времени отсутствовало. Физики из Еврейского университета в Иерусалиме под руководством Джея Файнберга (Jay Fineberg) экспериментально продемонстрировали движение трещины, возникающей при растяжении, со скоростью выше рэлеевской. Для этого они использовали листы полиакриламидных гидрогелей — это хрупкий нео-гуковский материал, то есть линейно эластичный при малых относительных деформациях, в соответствии с законом Гука, и нелинейно эластичный — при росте относительной деформации. Ширины образцов по оси растяжения составляли 20–80 миллиметров, толщина — около четверти миллиметра. На поверхности этих листов исследователи наносили квадратную решетку с длиной стороны 80 микрометров, чтобы отслеживать деформации, а затем растягивали листы и следили за их разрушением при разной величине растяжения при помощи рапидной съемки. Авторы также создавали на образцах небольшие прямые борозды шириной в десятые доли миллиметра посередине между краями растяжения листа, и отдельно наблюдали за развитием трещин в таких истонченных листах. Наблюдения проводились для относительных растяжений (то есть отношений разности ширины растянутого и исходного образца к исходной ширине) вплоть до 60–70 процентов. В результате физики установили, что критическая величина относительного растяжения, при которой трещина начинает двигаться со сверхрэлеевской скоростью, составляет примерно 19±1 процентов. При этом скорость трещины нарастает по мере ее движения и стремится к пределу, который увеличивается с ростом относительной деформации, и в условиях эксперимента не зависит от истончения и ширины образца. Авторы исследовали также зависимость величины критического относительного растяжения от химического состава гидрогеля — для этого они измерили эту величину при разных концентрациях мономеров и кросс-линкеров («сшивающие» мономеры в полимер вещества). Варьируя эти концентрации вместе и по отдельности, физики выявили прямую пропорциональную зависимость между критическим относительным растяжением и квадратным корнем отношения концентрации мономеров к концентрации кросс-линкеров. По словам ученых, это указывает на переход от спиральных полимерных цепочек к растянутым цепочкам вблизи вершины трещины, что может в будущем прояснить механизм образования трещин со сверхрэлеевской скоростью распространения. Современные открытия встречаются не только за рамками линейно-упругой теории разрушения, но и в ее пределах: ранее мы рассказывали о том, как физики объяснили отталкивание между трещинами с помощью классического подхода.