新しい材料は、多くのエネルギー貯蔵デバイスの鉛を置き換えることができます

ペンシルベニア州立大学の研究者チームは、新しい強誘電体材料のユニークな微細構造を初めて観察し、報告しました。これにより、電子機器、センサー、エネルギー貯蔵用の無鉛圧電材料の開発が可能になり、人間の使用により安全になります。 この作業は、ペンシルベニア州立大学のアレム グループが主導し、ラトガース大学とカリフォルニア大学マーセド校の研究チームと協力して行われました。 その結果を報告する論文が Nature Communications に掲載されました。

強誘電体は材料のクラスです 外部電荷が印加されると、自発分極を示します。 これにより、材料内の正電荷と負電荷が異なる極に向かうときに、自発分極が発生します。 これらの材料には圧電特性もあり、機械的な力が加わると材料が電荷を生成します。

圧電特性により、これらの材料は、熱、動き、さらにはノイズなどのエネルギーから電気を作ることができます。 したがって、廃熱からエネルギーを回収するなど、炭素ベースのエネルギーに代わる可能性を秘めています。 さらに、強誘電体材料は、電力を追加しなくても 1 つの分極状態を維持できるため、データ ストレージとメモリに特に有用であり、省エネルギーのデータ ストレージとエレクトロニクスにとって魅力的です。 また、スイッチ、心拍数モニターや超音波などの重要な医療機器、エネルギー貯蔵、アクチュエーターなどの有益なアプリケーションにも広く使用されています。

しかし、最強の圧電材料には鉛が含まれており、鉛が人間や動物にとって有毒であることを考えると、これは大きな問題です。

ペンシルベニア州立大学の材料科学および工学の准教授であり、この研究の責任著者である Nasim Alem 氏は、次のように述べています。 そして現在、鉛は危険であるため、これらすべての材料の鉛は大きな欠点です. 私たちの研究が、より優れた圧電システムの適切な候補になることを願っています。」

強力な圧電特性を備えたこのような鉛フリー材料への道筋を開発するために、研究チームはマンガン酸カルシウム、Ca3Mn2O7 (CMO) を使用しました。 CMOは、いくつかの興味深い特性を持つ新しいハイブリッド不適切強誘電体です。

材料科学の博士候補であり、この研究の筆頭著者である Leixin Miao 氏は次のように説明しています。 材料には、傾いたり回転したりできる酸素原子の八面体があります。 「ハイブリッド不適切強誘電性」という用語は、八面体の回転と傾斜を組み合わせて強誘電性を生成することを意味します。 これは、強誘電性の分極を生成する八面体の 2 つの運動の組み合わせであるため、「ハイブリッド」と見なされます。 分極は二次的な効果として生成されるため、「不適切な」強誘電体と見なされます。」

CMO の微細構造には、研究者にとって謎のような独特の特徴もあります。

「室温では、結晶内に室温で共存する極性相と非極性相がいくつかあります」と Miao 氏は述べています。 そして、これらの共存する相は、負の熱膨張挙動と相関していると考えられています。 通常、物質は加熱すると膨張しますが、この物質は収縮することはよく知られています。 これは興味深いことですが、極性相と非極性相がどのように共存するかなど、構造についてはほとんどわかっていません。」

これをよりよく理解するために、研究者は原子スケールの透過型電子顕微鏡を使用しました。

「電子顕微鏡を使用した理由は、電子顕微鏡を使用すると、原子スケールのプローブを使用して構造内の正確な原子配列を確認できるからです」と Miao 氏は述べています。 そして、CMO 結晶に二重二層極性ナノ領域が観察されたことは非常に驚くべきことでした。 私たちの知る限りでは、このような微細構造が層状ペロブスカイト材料で直接画像化されたのは初めてです。」

研究者によると、これまで、このような強誘電相転移を経る材料に何が起こるかは観察されていませんでした。 しかし、電子顕微鏡を使って、材料と相転移中に何が起こっているかを監視することができました。

Alem 氏は次のように述べています。温度の関数。 そして、これは、人々がこの資料について持っていた観察のいくつかを非常に説明しています. たとえば、彼らが熱膨張係数を取得するとき、これがどこから来たのか誰も本当に知りません. 基本的に、これは原子レベルにまで掘り下げ、基礎となる原子スケールの物理学、化学、さらには相転移のダイナミクス、それがどのように変化しているかを理解することでした.

これにより、鉛フリーの強力な圧電材料の開発が可能になりました。

「科学者たちは、多くの有益な用途のために鉛フリーの強誘電体材料を発見するための新しい道を見つけようとしてきました」と Miao 氏は述べています。 「極性ナノ領域の存在は圧電特性に利益をもたらすと考えられており、欠陥工学を介して、超音波またはアクチュエータ用途のすべての鉛含有材料を最終的に置き換える新しい強力な圧電結晶を設計できる可能性があることを示しました。」

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材料中のこれらのこれまでに見られなかったプロセスを明らかにした特徴付け作業は、ミレニアム サイエンス コンプレックスにある材料研究所の施設で実施されました。 これには、これまで見たことのないものを見えるようにする複数の透過型電子顕微鏡 (TEM) 実験が含まれていました。

ブログ投稿には長すぎる著者の長いリストがあります。 ただし、このリストはプレス リリース ページと研究概要ページの両方で表示できることに注意してください。

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鉛は非常に便利で非常に便利ですが、実際には摂取すると非常に有毒な物質です。 肌に乗って口や鼻に入るほど柔らかく、本当に起こりたくないことです。

新しい材料特性がより広く調査されるにつれて、今日存在しない製品やデバイスが消費者市場に登場する可能性があることが期待されています.

今のところ、製造におけるマンガン酸カルシウムのコストがコストと処理において十分に低い場合、より優れたより安全な既存の製品がかなり早く登場するように見えます. 今後、さらに多くの資料が追加される可能性があります。

Brian Westenhaus 著 New Energy and Fuel 経由

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