Phát hiện thấy tinh thể nhựa iđonic sắt điện thô cơ học và có thể điều chỉnh định hướng

Nghiên cứu mới của nhóm nghiên cứu thuộc trường Đại học Hokkaido (Nhật Bản) đã cho thấy tinh thể iđonic nhựa, quinuclidinium perrhenate, có các đặc tính sắt điện và có thể ứng dụng như một mô hình để tìm kiếm các tinh thể iđonic nhựa mới có tính sắt điện cũng như có thể điều chỉnh định hướng. Công trình nghiên cứu của họ đã được đăng trên tạp chí Nature Chemistry.

Vật liệu sắt điện là vật liệu có thể tự phân cực. Tính phân cực của các vật liệu sắt điện có thể bị đảo ngược được bằng cách đặt vật liệu nào vào trong một điện từ trường ngoài đảo chiều (inverted external electric field). Khả năng chuyển đổi tính phân cực này của vật liệu đã được sử dụng cho nhiều các ứng dụng khác nhau bao gồm các thiết bị nhớ (memory devices). Đặc biệt, các vật liệu sắt điện hữu cơ đang rất được quan tâm do chúng không chứa độc tố và dễ chế tạo hơn so với các bản sao vô cơ của chúng.

Tuy nhiên, cũng có một số trở ngại đối với việc ứng dụng thực tế các tinh thể sắt điện hữu cơ này. Mỗi tinh thể trong một khối chất chỉ có thể bị phân cực dọc theo trục phân cực của nó, điều này phụ thuộc vào sự định hướng lưỡng cực phân tử trong tinh thể. Để hoạt động của các vật liệu sắt điện hiệu quả, trục phân cực này của các tinh thể riêng lẻ này trong một khối chất phải sắp xếp theo hướng đặc biệt. Trái ngược với cấu trúc đối xứng cao đã được quan sát thấy trong các chất sắt điện vô cơ, tính đối xứng thấp trong các tinh thể vô cơ làm cho nó khó khăn để tạo ra các vật liệu sắt điện với các trục phân cực được sắp xếp theo các hướng mong muốn.

Các tinh thể nhựa có khuynh hướng giống cấu trúc sáp. Chúng ở trạng thái trung gian (pha giữa) giữa dung dịch và pha rắn, do đó chúng có nhiều phân tử mức độ tự đo hơn so với các tinh thể thông thường. Các phân tử mà biểu hiện pha tinh thể nhựa có khuynh hướng có cấu trúc hình cầu. Các tinh thể nhựa có độ đối xứng tinh thể cao do sự chuyển động quay phân tử đồng vị, và trải qua nhiều sự chuyển hóa pha rắn-sang-rắn (solid-to-solid phase). Những chuyển hóa rắn-sang-rắn thường biểu hiện sự thay đổi tinh thể từ mức đối xứng cao sang mức đối xứng thấp. Với những đặc tính này, quinuclidinium perrhenate được chọn làm một hệ thống tinh thể nhựa mẫu để nghiên cứu xem nó các đặc tính sắt điện hay không.

Ion dương quinuclidinium (quinuclidinium cation) có tính đối xứng hình cầu và một mômen lưỡng cực trong khi perrhenate anion có tính đối xứng có dạng tứ diện và không cực. các tinh thể của quinuclidinium perrhenate đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng máy phân tích nhiệt lượng quét vi sai (differential scanning calorimetry) cho thấy có ba pha rắn khác biệt đã được tác giả mô tả đó là pha nhiệt độ thấp-trung bình và cao. Các pha nhiệt độ thấp và trung bình có các mặt phẳng có cực (được mô tả giống như bất đối xứng tâm) trong khi pha nhiệt độ cao (pha tinh thể nhựa) hiện thị mặt phẳng không cực. Điều này có liên quan lớn với các đặc tính cần thiết cho quá trình dịch chuyển điện cực trong đó các trạng thái rắn có mômen lưỡng cực thấp hơn nhiệt độ C nhưng không phân cực khi ở trên nhiệt độ C.

Các nghiên cứu bổ sung khác đã xem xét các cấu trúc tinh thể ở các pha khác nhau. Điều này khẳng định các pha nhiệt độ thấp-trung bình-và cao có các nhóm điểm đối xứng khác nhau cụ thể lần lượt là C2v, C3v, Oh.

Các tinh thể này sau đó được kiểm nghiệm các đặc tính sắt điện. Đúng như dự đoán tính đối xứng các tinh thể, sơ đồ điện trường - sự phân cực trong pha nhiệt độ trung bình đã biểu thị vòng lặp trễ từ đặc trưng (characteristic hysteresis loop) cho các vật liệu sắt từ. Nó đã hiện thị một mômen lưỡng cực có thể chuyển đổi mà không bị biến đổi sau 105 chu kỳ chuyển pha. Theo các nhà nghiên cứu cho biết, điều này có thể đặc biệt hữu ích đối với các màng mỏng dùng cho các thiết bị điện tử.

Theo Vista.gov.vn