סימולציה רחבת-היקף בעופרת-טיטניום מחומצנת מאפשרת הבנה על תהליך הפולריזציה בחומרים פרו-אלקטריים

מאת אוון לרנר – אוניברסיטת פנסילבניה

חומרים פרו-מגנטיים (ferromagnetic), דוגמת מחט המצפן, נחשבים מאוד שימושיים, מאחר שהפולריזציה המגנטית גורמת להם להסתובב ולהתיישר על-פי שדות מגנטיים. חומרים פרו-אלקטריים מתנהגים באופן דומה, אך הם מגיבים לחשמל ולא לשדות מגנטיים. כך ששדות חשמליים חיצוניים מסוגלים לכוון מחדש את הקיטוב החשמלי של חומרים אלו, ובך להפכם לאידיאלים עבור שימושים מסוימים ביישומי זיכרון, דוגמת כרטיסי ערך-צבור (המשמשים כרטיסי נסיעה בתחבורה ציבורית). מאחר ששינויי הקיטוב בחומרים אלו גורמים בהם שינויים פיזיקאליים בצורה – תופעה המוכרת כפייזואלקטריות, חומרים פרו-אלקטריים חיוניים גם כ'חומרים חכמים' עבור מגוון רחב של חיישנים, כמו מכונות אולטרסאונד, ומיקרוסקופים סורקים (probe-based microscopes). והם גם יכולים לשמש כמנועים ברמת הננו.
כימאים מאוניברסיטת פנסילבניה חוקרים את השלב הבא ביישומים המשלבים חומרים פרו-אלקטריים. במחקרם האחרון שפורסם במגזין NATURE, החוקרים מתארים כיצד הצליחו לבצע סימולציה רחבת-היקף בעופרת טיטניום מחומצנת המאפשרת הבנה על התהליך המוביל לאפשרות לשנות את פולריזציה בחומרים אלו.
מודל מתמטי זה, שהגיע מעקרונות של מכאניקת הקוונטים, ולא מניסויים פיזיקאליים, יוכל לקדם את המאמצים למצוא ולתכנן חומרים פרו-אקלטריים חדשים ע"פ ספציפיקציה. המחקר החדש נוהל ע"י פרופסור אנדרו ראפה מביה"ס למדעים ואומנות של אוניברסיטת פנסילבניה, יחד עם שותפיו למחקר המעבדתי – שי ליו ואיליה גרינברג.
למרות השגשוג ביישומים מסחריים, קיימים עדיין חללים רבים בעקרונות התיאורטיים המסבירים את התנהגותם של חומרים פרו-אלקטריים. חלל אחד שכזה הוא ההבנה כיצד איזורים מסוימים בעלי פולריזציה שונה (המכונים דומיין-domains) יוצרים אינטראקציה באזורי הגבול שביניהם (קירות התחום - domain walls).
החומר הפרו-אלקטרי בו השתמשו פרופסור ראפה וצוותו לצורך הסימולציה הכיל יוני טיטניום בתוך "כלובים" בעלי שמונה פיאות ושש נקודות של יוני חמצן. הפולריזציה של כל דומיין נקבעה ע"פ הנקודות בכל כלוב אליהם נעו יוני הטיטניום.

למידע נוסף ולמגזין הדיגיטלי: http://www.hinet.co.il/mag/cm100/