Velké objevy jsou někdy učiněny, aniž by si někdo uvědomoval, jak budou důležité. Například C. V. Raman získal v roce 1930 Nobelovu cenu za fyziku za objev, že světlo může při rozptylu měnit energii, avšak Ramanova spektroskopie se stala cenným výzkumným nástrojem až dlouho po vynálezu laseru v roce 1960. Podobně si jen málokdo dokázal představit, že za vlasy přitažený, ale odvážný návrh Paula Diraca o antičásticích – za který získal Nobelovu cenu v roce 1933 – povede o půl století později k pozitronové emisní tomografii.

Je tu však ještě jeden méně známý – a přesto důležitý – objev, který v té době také zůstal z velké části bez povšimnutí. Učinil jej před 100 lety v roce 1920 Joseph Valasek (1897-1993), který tehdy jako postgraduální student pracoval pod vedením Williama Swanna na Minnesotské univerzitě v americkém Minneapolisu. Ve snaze vyvinout seismograf, který by měřil vibrace zemětřesení, se Valasek zamýšlel nad tím, zda by to nešlo provést pomocí piezoelektrických krystalů, které po stlačení vytvářejí elektrický signál.

Nejdostupnějším piezoelektrikem, které měl k dispozici, byla monokrystalická látka, kterou poprvé syntetizoval v 17. století Pierre Seignette, lékárník z francouzského námořního přístavu La Rochelle. Extrahovala se z vína, stala se známou jako Rochelleova nebo Seignettova sůl a má chemický vzorec tetrahydrát vinanu draselného sodného (KNaC4H4O6-4H2O). Když Valasek umístil vzorek tohoto materiálu do elektrického pole, E, všiml si, že jeho výsledná elektrická polarizace, P, dělá něco neobvyklého.

Když zesiloval pole, polarizace se zvyšovala, přičemž graf závislosti P na E sledoval křivku ve tvaru písmene S. To se projevilo tím, že se polarizace zvýšila. Když však pole opět snížil, polarizace byla vždy vyšší než předtím, i když sledovala stejný druh křivky. Jinými slovy, přesná hodnota polarizace závisela na tom, zda pole stoupalo, nebo klesalo: vykazovala hysterezi (obrázek 1). Toto pozorování bylo tak neobvyklé, že je Swann prezentoval na zasedání Americké fyzikální společnosti v dubnu 1920 v Gaithersburgu ve státě Maryland v příspěvku nazvaném „Piezoelektrické a příbuzné jevy v Rochelleově soli“. (Valasek se jako nevýrazný doktorand zasedání ani nezúčastnil.)

Swann a Valasek nevěděli, co hysterezi způsobuje, ale objevily se paralely s objevem, který o tři desetiletí dříve učinil skotský fyzik James Alfred Ewing. Ten pozoroval podobný druh chování u některých feromagnetů a všiml si, že magnetický moment závisí na tom, jak se změnilo magnetické pole. Valaskův objev tedy ukázal na zcela novou třídu materiálů, v nichž elektrický dipólový moment – a tedy polarizace – závisí na tom, jak se změnilo elektrické pole.

Stálý úspěch

Tyto materiály, kterým se nyní říká „feroelektrika“, mají v moderním životě úžasné aplikace (viz „Aplikace feroelektrik: pět nejlepších“). Swann ani Valasek však o tomto termínu, který v roce 1912 zavedl Erwin Schrödinger poté, co předpověděl, že některé kapaliny se mohou při tuhnutí samovolně polarizovat, neslyšeli. Navíc Valaskův objev zůstal v podstatě bez povšimnutí. Přestože o svých pozorováních napsal v letech 1921 až 1924 čtyři články do časopisu Physical Review s další poznámkou v časopise Science v roce 1927, po celá dvacátá léta se nikdo nepokusil stanovit teoretický základ tohoto jevu.

Většinu fyziků, zdá se, více zajímala kvantová fyzika a jiné základní jevy, jako je Braggova difrakce a Ramanova spektroskopie. Ve skutečnosti až koncem 30. let 20. století někdo v literatuře znovu použil slovo „feroelektřina“. Výzkum se skutečně rozběhl až poté, co budoucí nositel Nobelovy ceny za fyziku Vitalij Ginzburg napsal v roce 1946 klasický článek na toto téma, i když i on jej nazýval „Seignettoelektrický“ jev vzhledem k tomu, že byl poprvé pozorován u Seignettovy soli.

Obor byl také podpořen objevem dalšího feroelektrického materiálu během druhé světové války: titaničitanu barnatého (BaTiO3). Na rozdíl od Rochelleho soli je nerozpustný ve vodě, chemicky stabilní při pokojové teplotě a má mnohem lepší elektrické a mechanické vlastnosti. Titaničitan barnatý byl proto ideálním materiálem pro kondenzátory s vysokou energetickou hustotou, ačkoli teprve po válce si vědci uvědomili, že je to feroelektrikum s výmluvnou hysterezí elektrických vlastností.

Teoretici nyní začali správně chápat chování feroelektrik, v čemž jim pomohli experimentátoři, kteří začali provádět pečlivé krystalografické analýzy struktury těchto materiálů. Do konce 50. let 20. století bylo objeveno několik stovek různých feroelektrických materiálů na bázi oxidů – patřících do přibližně 30 různých strukturních rodin – a fyzikové testovali jejich elektrické vlastnosti a zvažovali jejich potenciál pro nové aplikace v zařízeních.

Jeden z důsledků tohoto systematického studia feroelektrik přišel v roce 1968, kdy výzkumníci jako Keitsiro Aizu z Centrální výzkumné laboratoře Hitachi v japonském Tokiu předpověděli, že by mohl existovat podobný hysterezní vztah mezi pružnou deformací materiálu a působícím napětím. Některé z těchto materiálů, označované jako „ferroelasty“, jsou neobvyklé tím, že pokud je ochladíte pod určitou teplotu a poté je mechanicky zdeformujete, obnoví svůj původní tvar, pokud je opět zahřejete.

Tyto ferroelasty si jinými slovy „pamatují“ svůj původní fyzikální a geometrický tvar. Patří mezi ně „slitiny s tvarovou pamětí“, jako je nikl-titan, který se široce používá pro ovládací a polohovací zařízení, zatímco jiné se používají ve všem možném, od elektrických kabelů na dně oceánů až po ohýbatelné obroučky brýlí. Feroplasty se dokonce používají ve vesmíru k vytvoření antén a dalších pomůcek, které lze složit a po zahřátí rozložit.

Poznejte rodinu

Koncem 60. let 20. století tedy fyzikové znali tři rodiny materiálů, které všechny vykazovaly hysterezi: feroelektrika, feromagnety a feroplasty. Všechny mají společné to, že sousední krystalické domény mají určitou vlastnost „směřující“ opačným směrem (elektrický dipól u feroelektrik, magnetismus u feromagnetů a deformace u feroplastů), kterou lze „přepnout“ vnějším polem tak, aby všechny směřovaly stejným směrem. Ginzburg – a další budoucí nositel Nobelovy ceny Lev Landau – skutečně dokázali vysvětlit chování všech tří typů pomocí jediné, jednoduché fenomenologické teorie.

Někteří vědci dokonce začali tyto materiály sdružovat pod společným názvem „ferroiky“ – název, který se v literatuře vžil, přestože mnohé z těchto látek ve skutečnosti žádné železo neobsahují. V 70. letech 20. století byla totiž objevena i čtvrtá skupina ferroických materiálů, známá jako „ferrotoroidy“, které mají hysterezi v toroidním poli (součin elektrického a magnetického pole). Zahrnují materiály, jako je fosforečnan lithia a kobaltu (LiCo(PO4)3), které mají magnetické víry v sousedních doménách, jež lze seřadit do jedné linie.

A kdyby to nestačilo, vědci objevili také materiály, které kombinují více než jednu ferroickou vlastnost buď v jedné fázi, nebo jako kompozitní strukturu. Mezi ně, známé jako „multiferoiky“, patří „magnetoelektrické“ materiály, u nichž lze magnetizaci řídit elektrickým polem a polarizaci manipulovat magnetickým polem (což navrhl již v roce 1894 Pierre Curie). Takové materiály mohou například měřit magnetické pole velikosti pikotesla z lidských neuronů při pokojové teplotě.

Nejzajímavější na feroelektrikách je, že takové materiály jsou také piezoelektrické (generují elektřinu při namáhání) a pyroelektrické (generují elektřinu při změně teploty). Tyto jedinečné vlastnosti vedly k tomu, že se feroelektrika používá v mnoha aplikacích od kondenzátorů s vysokou hustotou energie a přístrojů pro noční vidění až po ultrazvukové lékařské přístroje, inteligentní technologie pro sběr energie a aktuátory a translátory. Feroelektřinu najdete dokonce i v alarmech proti vloupání, zapalovačích a monitorech srdečního tepu a krevního tlaku.

Budoucnost je feroelektrická

Set let po objevu feroelektřiny se to, co začalo jako okrajová oblast výzkumu, nesmírně rozrostlo a k dnešnímu dni bylo na toto téma publikováno více než 20 000 vědeckých prací, což je dáno nesčetnými možnostmi jejího využití od nano- až po makroskopické měřítko. Dokonce se rozšířil i do biologie, kde se feroelektrické chování objevilo například v aminokyselinách a ve stěně aortálních cév u prasat. Feroelektrika by dokonce mohla být použita k výrobě senzorů, které mohou replikovat mnohé lidské „multifunkční senzorické systémy“.

Další zajímavý vývoj zahrnuje exotické materiály, jako jsou „relaxory“ (u nichž dielektrická odezva závisí na frekvenci přiloženého pole) a „kvantové paraelektřiny“ (u nichž kvantové fluktuace potlačují nástup feroelektrického řádu). Vědci také začali studovat 2D feroelektrika, přičemž depozice atom po atomu a výpočty podle prvních principů ukazují na nové druhy zařízení a senzorů v nanorozměrech, které by mohly být užitečné zejména pro studium lidského těla. Koneckonců kůže, vlasy, nehty a mnoho dalších biologických tkání se při vystavení elektrickému poli chovají jako piezoelektrika a feroelektrika, přičemž piezoreakční silové mikroskopy již poskytují kvantitativní údaje o biofunkčnosti člověka.

Na sílu feroelektrik nezanevřela ani fundamentální fyzika, přičemž vědci nedávno poprvé pozorovali ve feroelektrických materiálech exotické topologické defekty zvané „polární skyrmiony“ a „polární hopfiony“. Věříme, že to, co před sto lety začalo jako neškodné experimentální pozorování jednoho postgraduálního studenta, bude přínosem pro vědu, techniku a život ještě dalších 100 let a déle.

Použití feroelektrik: pět nejlepších

Vysokoenergetické kondenzátory a účinná zařízení pro ukládání energie

Jednou z velkých výhod feroelektrických materiálů je, že mají velmi vysokou dielektrickou konstantu, což znamená, že mohou uchovávat velké množství energie. Většina kondenzátorů v aplikacích s vysokou hustotou energie, jako jsou kompaktní baterie, proto obsahuje feroelektrické materiály. A přestože se feroelektrika chovají jako izolátory s velmi vysokým elektrickým odporem, hrála také klíčovou roli při objevu nové třídy materiálů s nulovým odporem. V polovině 80. let pracoval ve výzkumné laboratoři IBM v Curychu budoucí nositel Nobelovy ceny za fyziku Alex Müller, který studoval perovskity – skupinu materiálů, do níž patří feroelektrika. Úpravou složení, ale při zachování jejich základní struktury, zjistil, že tyto materiály vedou proud bez odporu při teplotě přibližně 40 K, zatímco jiní zjistili podobné chování při teplotách kapalného dusíku. Za vysokoteplotní supravodiče tedy můžeme poděkovat feroelektrikám.

Technologie nočního vidění

Kamery, které „vidí“ v noci, vyžadují materiály, které generují elektrický náboj v reakci na změny teploty. Pyroelektrika, která generují napětí při zahřátí nebo ochlazení, mohou tento úkol splnit, ale lepší je použít feroelektrika, jako je sulfát triglycinu. Ty mají mnohem vyšší „pyroelektrický koeficient“ a dokáží rozlišit teplotní rozdíly již od 0,01 K. Infračervené záření například z lidského těla lze zaměřit na pole feroelektrických materiálů, které absorbují světlo a přemění ho na napětí, které lze použít k vytvoření obrazu odpovídajícího teplotnímu profilu člověka. Takové kamery se používají také v lékařství, bezpečnosti a nočním vidění. Zoologové dokonce pomocí přístrojů pro noční vidění spatřili zvířata, která dříve považovali za vyhynulá, včetně divokých psů na Nové Guineji.

Medicínský ultrazvuk a podvodní akustika

Všechny feroelektrické materiály jsou piezoelektrické, což znamená, že při působení tlaku objektu generují elektrické napětí. Toto napětí pak může být použito k vytvoření obrazu objektu. Tlak však nemusí vzniknout přímým fyzickým kontaktem: může pocházet také ze zvukových vln odražených od objektu, který je sám pod napětím. Ferroelektrika se proto hojně využívá v medicíně k zobrazování nenarozených dětí, aby se zkontrolovalo, jak rostou a vyvíjejí se v matčině děloze. Na podobném principu funguje i hydrofon: zařízení, které dokáže zachytit zvukové vlny odrážející se od podvodních objektů, jako jsou hejna ryb. Ferroelektrika se používá také k mapování topografie oceánského dna – například v roce 2014, kdy byla použita k lokalizaci letu MH370 malajských aerolinií, který zmizel někde v jižní části Indického oceánu při letu z Kuala Lumpuru do Pekingu.

Aktuátory a translátory

Vzhledem k tomu, že všechna feroelektrika jsou piezoelektrická, pokud na ně přivedete elektrické pole, materiál změní rozměr podél jednoho nebo více povolených směrů, jak určuje jeho základní krystalová struktura. Změna rozměrů může být sotva několik pikometrů na volt – ale i to může být neocenitelné. Feroelektrika, jako je například titaničitan olovnatý, se používají v mikroskopech atomárních sil k pozorování jednotlivých atomů v materiálech a také ve skenovacích tunelových mikroskopech, za něž Gerd Binnig a Heinrich Rohrer získali v roce 1986 Nobelovu cenu za fyziku. Podobné materiály lze nalézt také v piezosilových mikroskopech a magnetosilových mikroskopech. Jiné feroelektrikum – niobát olovnatý/tianičitan olovnatý – bylo ostatně součástí zařízení, které NASA v roce 1991 použila k opravě vad zrcadla na Hubbleově vesmírném teleskopu. Dříve rozmazané snímky, například jádra galaxie M100, byly nyní mnohem jasnější (srovnejte vlevo a vpravo nahoře).

Sklízení energie

Ferroelektrické materiály mohou pod vlivem vstupního tahu generovat elektřinu, což znamená, že některé z nich – například titaničitan olovnatý zirkoničitý zapuštěný do polymeru – by mohly být použity ke sklízení energie z osobních a nákladních aut, která se jinak ztrácí jako teplo nebo hluk. Výkon, který lze z takových zařízení získat, je v současné době relativně malý – obvykle několik miliwattů – a je založen na deskách z polyvinylidenfluoridu (PVDF) a jejich polymerních kompozitech. Pokud se však podaří najít levné způsoby, jak výrobu zařízení rozšířit, mohli bychom mít vyhráno. Další slibné využití zařízení pro sběr energie je v medicíně a biologii, kde jde jen o velmi malé energie. Mohla by být přínosem pro pacienty, kteří jsou vybaveni mechanickými kardiostimulátory napájenými bateriemi, které udržují jejich srdce v chodu. Pokud se baterie vybijí, jedinou možností, jak je vyměnit, je operovat pacienta chirurgem. Pokud by se však baterie mohly dobíjet napětím generovaným ve feroelektrickém materiálu přímo z tahu srdečního rytmu, byly by takové operace minulostí.

.