Un instantané des simulations ab initio de la dynamique des molécules à 753 degrés Kelvin, montrant la liaison de l’oxyde de titane polarisé avec des structures tétragonales locales dans diverses orientations, qui représentent les parois des domaines locaux à 90 et 180 degrés. Crédit : Avec l’aimable autorisation de Zi-Kui Liu
L’univers gravite naturellement vers le désordre, et ce n’est que grâce à l’apport d’énergie que nous pouvons combattre cet inévitable chaos. Cette idée est résumée dans le concept d’entropie, évident dans les phénomènes quotidiens comme la fonte des glaces, les incendies et l’ébullition de l’eau. Cependant, la théorie de la zentropie introduit une couche supplémentaire à cette compréhension.
Cette théorie a été développée par une équipe dirigée par Zi-Kui Liu, professeur distingué Dorothy Pate Enright de science et d’ingénierie des matériaux à Penn State. Le « Z » de zentropie est dérivé du terme allemand « Zustandssumm », qui se traduit par « la somme des états » de l’entropie.
Alternativement, a déclaré Liu, la zentropie peut être considérée comme un jeu sur le terme « zen » du bouddhisme et de l’entropie pour mieux comprendre la nature d’un système. L’idée, a déclaré Liu, est d’examiner comment l’entropie peut se produire à plusieurs échelles au sein d’un système pour aider à prédire les résultats potentiels du système lorsqu’il est influencé par son environnement.
Liu et son équipe de recherche ont publié leur dernier article sur le concept, prouvant que l’approche peut offrir un moyen de prédire les résultats des expériences et permettre une découverte et une conception plus efficaces de nouveaux matériaux ferroélectriques. Le travail, qui intègre une certaine intuition et beaucoup de physique pour fournir une voie sans paramètre permettant de prédire le comportement des matériaux avancés, a été publié dans Scripta Materialia.
Les ferroélectriques ont des propriétés uniques, ce qui les rend précieux pour diverses applications actuelles et dans le développement de matériaux, ont indiqué les chercheurs. L’une de ces propriétés est la polarisation électrique spontanée qui peut être inversée en appliquant un champ électrique, ce qui facilite des technologies allant des ultrasons aux imprimantes à jet d’encre en passant par la RAM économe en énergie pour les ordinateurs et le gyroscope ferroélectrique des smartphones qui permettent des vidéos fluides et des photos nettes. .
Pour développer ces technologies, les chercheurs doivent expérimenter pour comprendre le comportement d’une telle polarisation et son inversion. Par souci d’efficacité, les chercheurs conçoivent généralement leurs expériences en fonction des résultats prévus. En règle générale, de telles prédictions nécessitent des ajustements appelés « paramètres d’ajustement » pour correspondre étroitement aux variables du monde réel, dont la détermination prend du temps et de l’énergie. Mais la zentropie peut intégrer la mécanique quantique statistique descendante et ascendante pour prédire les mesures expérimentales du système sans de tels ajustements.
« Bien sûr, en fin de compte, les expériences constituent le test ultime, mais nous avons découvert que la zentropie peut fournir une prédiction quantitative qui peut réduire considérablement les possibilités », a déclaré Liu. « Vous pouvez concevoir de meilleures expériences pour explorer les matériaux ferroélectriques et les travaux de recherche peuvent avancer beaucoup plus rapidement, ce qui signifie que vous économisez du temps, de l’énergie et de l’argent et que vous êtes plus efficace. »
Alors que Liu et son équipe ont appliqué avec succès la théorie de la zentropie pour prédire les propriétés magnétiques d’une gamme de matériaux pour divers phénomènes, découvrir comment l’appliquer aux matériaux ferroélectriques s’est avéré délicat. Dans la présente étude, les chercheurs ont rapporté avoir trouvé une méthode permettant d’appliquer la théorie de la zentropie aux ferroélectriques, en se concentrant sur le titanate de plomb. Comme tous les ferroélectriques, le titanate de plomb possède une polarisation électrique qui peut être inversée lorsque des champs électriques externes, des changements de température ou des contraintes mécaniques sont appliqués.
Lorsqu’un champ électrique inverse la polarisation électrique, le système passe d’ordonné dans une direction à désordonné, puis à nouveau ordonné à mesure que le système s’installe dans la nouvelle direction. Cependant, cette ferroélectricité ne se produit qu’en dessous d’une température critique propre à chaque matériau ferroélectrique. Au-dessus de cette température, la ferroélectricité – la capacité d’inverser la polarisation – disparaît et la paraélectricité – la capacité de se polariser – émerge. Le changement est appelé transition de phase. La mesure de ces températures peut fournir des informations cruciales sur les résultats de diverses expériences, a déclaré Liu. Cependant, il est presque impossible de prédire la transition de phase avant une expérience.
« Aucune théorie ni méthode ne peut prédire avec précision l’énergie libre des matériaux ferroélectriques et les transitions de phase avant les expériences », a déclaré Liu. « La meilleure prévision de la température de transition se situe à plus de 100 degrés de la température réelle de l’expérience. »
Cet écart est dû aux incertitudes inconnues dans les modèles, ainsi qu’à l’ajustement des paramètres qui ne peuvent pas prendre en compte toutes les informations importantes affectant les mesures réelles. Par exemple, une théorie souvent utilisée caractérise les caractéristiques macroscopiques de la ferroélectricité et de la paraélectricité, mais ne prend pas en compte les caractéristiques microscopiques telles que les parois de domaines dynamiques, c’est-à-dire les limites entre des régions présentant des caractéristiques de polarisation distinctes au sein du matériau. Ces configurations sont des éléments constitutifs du système et fluctuent considérablement en fonction de la température et du champ électrique.
Dans les ferroélectriques, la configuration des dipôles électriques dans le matériau peut changer la direction de polarisation. Les chercheurs ont appliqué la zentropie pour prédire les transitions de phase dans le titanate de plomb, notamment en identifiant trois types de configurations possibles dans le matériau.
Les prédictions faites par les chercheurs étaient efficaces et en accord avec les observations faites lors d’expériences rapportées dans la littérature scientifique, selon Liu. Ils ont utilisé des données accessibles au public sur les énergies des parois de domaine pour prédire une température de transition de 776 degrés Kelvin, montrant un accord remarquable avec la température de transition expérimentale observée de 763 degrés Kelvin. Liu a déclaré que l’équipe travaillait à réduire davantage la différence entre les températures prévues et observées avec de meilleures prédictions des énergies des parois de domaine en fonction de la température.
Cette capacité à prédire la température de transition si étroitement par rapport aux mesures réelles peut fournir des informations précieuses sur la physique des matériaux ferroélectriques et aider les scientifiques à améliorer leurs conceptions expérimentales, a déclaré Liu.
« Cela signifie essentiellement que vous pouvez avoir des intuitions et une approche prédictive sur la façon dont un matériau se comporte à la fois microscopiquement et macroscopiquement avant de mener les expériences », a déclaré Liu. « Nous pouvons commencer à prédire le résultat avec précision avant l’expérience. »
Aux côtés de Liu, les autres chercheurs de l’étude de Penn State comprennent Shun-Li Shang, professeur-chercheur en science et ingénierie des matériaux ; Yi Wang, professeur-chercheur en science et ingénierie des matériaux ; et Jinglian Du, chercheur en science et ingénierie des matériaux au moment de l’étude.
Le programme des sciences énergétiques fondamentales du ministère de l’Énergie a soutenu cette recherche.
