Российские ученые открыли побеждающие фрустрацию материалы
Ученые из МФТИ, ЮНЦ РАН и ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова обнаружили 25 обобщенных структур магнитных кристаллов, которые могут быть изменены с помощью «психотерапии для материалов» — химических или физических воздействий. Это позволяет преодолеть «фрустрацию» — так ученые называют неопределенность свойств материалов из-за конкуренции и разных внутренних взаимодействий. Избавившись от фрустрации, материалы начинают проявлять определенные полезные свойства.
Это открытие предоставляет возможность более эффективного создания материалов с заданными характеристиками для различных приложений, включая энергонезависимую и быструю память, а также магнитные сенсоры. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Acta Materialia.
Одним из типов квантовых материалов являются сложные соединения, в структурах которых присутствует пирохлорная подрешетка. В данной структуре металлические атомы занимают позиции в вершинах тетраэдров, которые соединяются друг с другом, образуя сеть тетраэдров.
Кристаллы с пирохлорной подрешеткой проявляют аномальные физические и химические свойства: сверхпроводимость, магнитосопротивление и каталитическую активность. Они также обладают технологически значимыми свойствами, включая радиационно-защитные, фотокаталитические и диэлектрические.
Все это благодаря конкуренции различных взаимодействий, включая магнитные, электрические и деформационные. Они испытывают геометрическую фрустрацию — это означает, что решающий характер материала не определен. Это позволяет влиять на свойства материала с помощью добавок или внешнего воздействия, такого как температура или давление, чтобы получить нужные характеристики.
Ученые хотели на наиболее абстрактном и фундаментальном уровне определить потенциальные свойства веществ с пирохлорной решеткой. Они изучали геометрические особенности решетки, чтобы вывести все возможные модификации магнитно-упорядоченных структур. В итоге исследователи нашли общие «решения», которые позволяют получать материалы с полезными и определенными свойствами из исходной фрустрирующей пирохлорной решетки путем воздействия на нее.
Всего ученые исследовали и нашли 25 модельных структур для материалов с пирохлорной подрешеткой. Они обнаружили, что подавляющее большинство известных материалов с такой подрешеткой могут быть описаны найденными структурами. Для подтверждения этого вывода, исследователи сравнили результаты своих вычислений с базами данных экспериментально изученных веществ с пирохлорной подрешеткой.
Из 25 модельных структур материалов с пирохлорной подрешеткой 24 обладают скрытыми свойствами, связанными с магнитной структурой, но не зависящими от нее напрямую. Эти структуры формируются не только из-за упорядочения магнитов, но также из-за деформаций решетки. Они проявляют сегнетоэластические свойства, то есть изменения формы под воздействием магнитных полей. В материалах с пирохлорной структурой, где магниты связаны с атомным каркасом, изменение состава каркаса может влиять на электронную подсистему кристалла. Этот результат открывает новые возможности для управления процессами в электронике, химии, химической технологии и, возможно, даже в биологии.
Среди найденных 25 структур две классифицируются как мультиферроики, то есть материалы, в которых связаны электрические и магнитные свойства. Эти материалы могут быть использованы в будущих системах хранения информации, где намагниченность может управляться электрическим полем, или в разработке магнитных датчиков.
Между тем ученые Южного федерального университета в Ростове-на-Дону разработали экономичный материал, который способен производить топливо из воды. Его можно использовать в качестве катализаторов для топливных элементов.
Посмотрите на гениальные и странные изобретения ученых 20 века:
