Científicos de materiales revelan una vía para diseñar materiales ópticos con propiedades especializadas

Si bien normalmente pensamos que el desorden es algo malo, un equipo de investigadores de ciencias de materiales dirigido por Rohan Mishra, de la Universidad de Washington en St. Louis, y Jayakanth Ravichandran, de la Universidad del Sur de California, ha revelado que, cuando se trata de ciertos cristales: un pequeño desorden estructural podría tener grandes impactos en propiedades ópticas útiles.

En un estudio publicado en línea en Materiales avanzadoslos primeros autores, Boyang Zhao, un estudiante graduado en ciencia de materiales de la USC que trabaja con Ravichandran, y Guodong Ren, un estudiante graduado que trabaja con Mishra en el Instituto de Ciencia e Ingeniería de Materiales de WashU, describen una nueva vía para obtener nuevas propiedades ópticas y electrónicas a partir del desorden estructural. .

Descubrieron que pequeños desplazamientos de sólo unos pocos picómetros (es decir, 100.000 veces más pequeños que el grosor de una hoja de papel) en la estructura atómica de un cristal podrían tener impactos mínimos en las propiedades ópticas en una dirección, pero producir mejoras funcionales gigantescas cuando se ven desde otra. ángulo.

En este caso, el índice de refracción del material, o cuánta luz se dobla o se desvía de su trayectoria original cuando pasa a través de él, cambió drásticamente con el desorden atómico.

Estas mejoras funcionales podrían tener aplicaciones prácticas en imágenes, teledetección e incluso medicina. Al controlar el grado de desorden atómico para lograr las propiedades ópticas deseadas, los investigadores anticipan el desarrollo de cristales que permitan obtener imágenes infrarrojas avanzadas en condiciones de poca luz, mejorando por ejemplo el rendimiento de los vehículos autónomos que conducen de noche o de los dispositivos de imágenes médicas.

“Hemos estado trabajando en materiales semiconductores durante años, avanzando gradualmente en la tabla periódica, buscando materiales que se comporten bien pero que también hagan cosas interesantes o inesperadas”, dijo Ravichandran, catedrático de carrera temprana Philip and Cayley MacDonald y profesor asociado en la Escuela de Ingeniería de Viterbi de la USC.

“Cuando comenzamos a buscar formas de lograr una mayor capacidad de ajuste (para crear materiales ideales para aplicaciones específicas), descubrimos que las propiedades variaban dramáticamente cuando se mediban desde diferentes direcciones”.

Cuando los materiales tienen diferentes propiedades o comportamientos cuando se miden u observan desde diferentes direcciones, eso se conoce como anisotropía. Los materiales anisotrópicos tienen diferentes características según cómo se los mire, y eso puede tener un gran impacto en características como la transmisión de luz, el comportamiento mecánico y otras propiedades físicas o eléctricas críticas para el funcionamiento de dispositivos cotidianos como las cámaras.

El material que estudió el equipo, el sulfuro de bario y titanio (BaTiS₃), un cristal hexagonal, ya se sabía que tenía una gran anisotropía óptica, pero los científicos no podían entender por qué. Fueron necesarios años de colaboración mutua entre equipos de WashU, USC y varios laboratorios nacionales, pero finalmente el equipo resolvió el caso.

“Estábamos viendo grandes discrepancias entre la teoría y el experimento: iluminar el material desde diferentes ángulos marcaba una gran diferencia en las propiedades ópticas por razones que no estaban claras”, dijo Mishra, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de materiales en la Escuela de Ingeniería McKelvey de WashU.

“La clave resultó ser la inestabilidad estructural que hace que ciertos átomos, en este caso los átomos de Ti, se desplacen de posiciones más simétricas de manera desordenada. Pequeños desplazamientos anisotrópicos aparecieron en experimentos de sincrotrón de alta resolución, entonces supimos que Mire más de cerca la estructura atómica usando un microscopio electrónico”.

“Los desplazamientos a escala picográfica son tan pequeños que sólo los encontrarás si los buscas específicamente”, añadió Ravichandran.

Ese nivel de detalle fino generalmente no es necesario, ni siquiera para la investigación científica de materiales de vanguardia, porque la luz vibra tan rápidamente que suaviza las imperfecciones locales de un material. No esta vez.

Ren y Zhao tuvieron que analizar cada suposición y cada pieza de teoría para descubrir cómo explicar el desajuste entre teoría y experimento, dijeron Mishra y Ravichandran, señalando que resolver este misterio solo era posible mediante la colaboración.

Utilizando una combinación de técnicas avanzadas que incluyen difracción de rayos X de cristal único, resonancia magnética nuclear de estado sólido y microscopía electrónica de transmisión de barrido, los investigadores encontraron evidencia de desplazamientos atómicos anisotrópicos de los átomos de titanio en BaTiS.₃. Estos desplazamientos increíblemente pequeños, de picoescala, ocurren en grupos locales dentro del material, pero ejercen una profunda influencia en las propiedades ópticas globales.

“La clave es que pequeños desplazamientos pueden tener efectos gigantes”, dijo Mishra. “Todavía estamos explorando cómo factores como la temperatura podrían cambiar las propiedades ópticas de este material, pero con este estudio hemos desarrollado una comprensión profunda de la relación entre el desorden estructural y la respuesta óptica. Eso nos ayudará a medida que sigamos descubriendo nuevos materiales y funcionalidades. “