Store opdagelser gøres nogle gange, uden at nogen er helt klar over, hvor vigtige de bliver. C V Raman vandt f.eks. Nobelprisen i fysik i 1930 for at opdage, at lys kan ændre energi, når det spredes, men Raman-spektroskopi blev først et værdifuldt forskningsredskab længe efter, at laseren blev opfundet i 1960. På samme måde var der kun få, der kunne have forestillet sig, at Paul Diracs langt ude, men alligevel dristige forslag om antipartikler – som han vandt Nobelprisen for i 1933 – ville føre til positronemissionstomografi et halvt århundrede senere.

Men der er en mindre kendt – men vigtig – opdagelse, som også gik stort set ubemærket hen dengang. Den blev gjort for 100 år siden i 1920 af Joseph Valasek (1897-1993), som dengang var kandidatstuderende og arbejdede under ledelse af William Swann ved University of Minnesota i Minneapolis, USA. Da han søgte at udvikle en seismograf til at måle vibrationerne fra jordskælv, spekulerede Valasek på, om dette kunne gøres med piezoelektriske krystaller, som skaber et elektrisk signal, når de presses sammen.

Det piezoelektriske stof, som han havde til rådighed, var et enkeltkrystallinsk stof, der først blev syntetiseret i det 17. århundrede af Pierre Seignette, en farmaceut fra den franske havneby La Rochelle. Stoffet blev udvundet af vin og blev kendt som Rochelle-salt eller Seignette-salt og har den kemiske formel kaliumnatriumtartrat tetrahydrat (KNaC4H4O6-4H2O). Da Valasek placerede en prøve af dette materiale i et elektrisk felt, E, bemærkede han, at den resulterende elektriske polarisering, P, gjorde noget usædvanligt.

Da han skruede op for feltet, steg polariseringen, og grafen for P i forhold til E fulgte en S-formet kurve. Men når feltet blev sænket igen, var polariseringen altid højere end før, om end den fulgte den samme slags kurve. Med andre ord var den præcise værdi af polariseringen afhængig af, om feltet steg eller faldt: der var tale om hysterese (figur 1). Denne observation var så usædvanlig, at Swann præsenterede den på det amerikanske fysiske samfunds møde i april 1920 i Gaithersburg, Maryland, i en artikel med titlen “Piezoelectric and allied phenomena in Rochelle salt” (Piezoelektriske og beslægtede fænomener i Rochelle-salt). (Som en lavtstående ph.d.-studerende deltog Valasek ikke engang i mødet.)

Swann og Valasek vidste ikke, hvad der forårsagede hysteresen, men der var paralleller til en opdagelse, der tre årtier tidligere var blevet gjort af den skotske fysiker James Alfred Ewing. Han havde set en lignende opførsel i visse ferromagneter og bemærket, at det magnetiske moment afhænger af, hvordan magnetfeltet har ændret sig. Valaseks opdagelse pegede derfor på en helt ny klasse af materialer, hvor det elektriske dipolmoment – og dermed polariseringen – afhænger af, hvordan det elektriske felt har ændret sig.

Stabil succes

Nu kaldes disse materialer “ferroelektrikere” og har nogle fantastiske anvendelser i det moderne liv (se “Anvendelser af ferroelektrikere: fem af de bedste”). Hverken Swann eller Valasek havde dog hørt om begrebet, som blev opfundet i 1912 af Erwin Schrödinger efter at have forudsagt, at visse væsker spontant kan polarisere sig, når de størkner. Desuden gik Valaseks opdagelse stort set ubemærket hen. På trods af at han skrev fire artikler om sine observationer i Physical Review mellem 1921 og 1924 med en yderligere notits i Science i 1927, blev der ikke gjort forsøg på at etablere det teoretiske grundlag for dette fænomen i hele 1920’erne.

De fleste fysikere var tilsyneladende mere interesserede i kvantefysik og andre fundamentale fænomener som Bragg-diffraktion og Raman-spektroskopi. Faktisk var det først i slutningen af 1930’erne, at nogen faktisk brugte ordet “ferroelektricitet” igen i litteraturen. Forskningen tog først rigtig fart, efter at den senere nobelprisvindende fysiker Vitaly Ginzburg skrev en klassisk artikel om emnet i 1946, selv om selv han kaldte det den “Seignettoelektriske” effekt, da den først var blevet observeret i Seignette-salt.

Feltet fik også et løft, da man under Anden Verdenskrig opdagede et andet ferroelektrisk materiale: bariumtitanat (BaTiO3). I modsætning til Rochelle-saltet er det uopløseligt i vand, kemisk stabilt ved stuetemperatur og har meget bedre elektriske og mekaniske egenskaber. Bariumtitanat var derfor et perfekt materiale til kondensatorer med høj energitæthed, selv om det først var efter krigen, at forskerne indså, at det var ferroelektrisk med en afslørende hysterese i dets elektriske egenskaber.

Theoretikerne begyndte nu at udvikle en ordentlig forståelse af ferroelektriske stoffers opførsel, hjulpet af eksperimentalister, der begyndte at foretage omhyggelige krystallografiske analyser af disse materialers struktur. I slutningen af 1950’erne havde man opdaget flere hundrede forskellige oxidbaserede ferroelektriske materialer – tilhørende ca. 30 forskellige strukturfamilier – og fysikere testede deres elektriske egenskaber og afvejede deres potentiale for nye anvendelser i forbindelse med apparatur.

En konsekvens af denne systematiske undersøgelse af ferroelektriske materialer kom i 1968, da forskere som Keitsiro Aizu fra Hitachi Central Research Laboratory i Tokyo, Japan, forudsagde, at der kunne være et lignende hysterese-lignende forhold mellem et materiales elastiske belastning og dets påførte spænding. Nogle af disse materialer, der kaldes “ferroelastik”, er usædvanlige, idet de, hvis man afkøler dem under en bestemt temperatur og derefter forvrænger dem mekanisk, genvinder deres oprindelige form, hvis man varmer dem op igen.

Disse ferroelastiske materialer “husker” med andre ord deres oprindelige fysiske og geometriske form. De omfatter “formhukommelseslegeringer” som f.eks. nikkel-titan, der er meget anvendt til betjenings- og positioneringsanordninger, mens andre anvendes i alt fra elektriske kabler på havbunden til bøjelige brillestel. Ferroelastik bruges endda i rummet til at danne antenner og andre gadgets, der kan foldes sammen og derefter rulles ud, når de opvarmes.

Mød familien

I slutningen af 1960’erne kendte fysikerne derfor til tre familier af materialer, der alle udviste hysterese: ferroelektriske materialer, ferromagneter og ferroelastik. Fælles for dem alle er, at nabokrystallinske domæner har en særlig egenskab, der “peger” i modsatte retninger (elektrisk dipol for ferroelektrikere, magnetisme for ferromagneter og spænding for ferroelastikker), som kan “omskiftes” med et ydre felt, så de alle peger i samme retning. Ginzburg – og en anden senere nobelpristager, Lev Landau – var faktisk i stand til at forklare opførslen af alle tre typer ved hjælp af en enkelt, simpel fænomenologisk teori.

Nogle forskere begyndte endda at gruppere materialerne under den fælles betegnelse “ferrostoffer” – et navn, der holdt sig fast i litteraturen, selv om mange af stofferne faktisk ikke indeholder jern. Faktisk blev der i 1970’erne også opdaget en fjerde familie af ferroiske materialer, kendt som “ferrotoroidics”, som har en hysterese i det toroidiske felt (krydsproduktet af det elektriske og magnetiske felt). De omfatter materialer som lithiumkoboltfosfat (LiCo(PO4)3) og har magnetiske hvirvler i nabodomæner, der kan bringes til at stå på linje.

Og som om det ikke var nok, har forskerne også fundet materialer, der kombinerer mere end én ferroisk egenskab, enten i en enkelt fase eller som en sammensat struktur. De kaldes “multiferroiske” og omfatter “magnetoelektriske” materialer, hvor magnetiseringen kan styres af et elektrisk felt og polariseringen kan manipuleres af et magnetfelt (noget som Pierre Curie havde foreslået så langt tilbage som i 1894). Sådanne materialer kan f.eks. måle de picotesla-store magnetfelter fra menneskelige neuroner ved stuetemperatur.

Det mest interessante ved ferroelektriske materialer er, at sådanne materialer også er piezoelektriske (genererer elektricitet, når de udsættes for stress) og pyroelektriske (genererer elektricitet, når de udsættes for en temperaturændring). Disse unikke egenskaber har ført til, at ferroelektriske materialer anvendes i mange applikationer, lige fra kondensatorer med høj energitæthed og natvisionsapparater til medicinsk ultralydsudstyr, intelligente teknologier til energiudnyttelse samt aktuatorer og translatorer. Du kan endda finde ferroelektriske stoffer i tyverialarmer, lightere og puls- og blodtryksmålere.

Fremtiden er ferroelektrisk

Et århundrede efter opdagelsen af ferroelektricitet er det, der startede som et nicheforskningsområde, vokset enormt med mere end 20.000 forskningsartikler offentliggjort om emnet til dato, drevet af dets utallige anvendelsesmuligheder fra nano- til makroskopisk skala. Det er endda blevet udvidet til biologi, idet der f.eks. er fundet ferroelektrisk adfærd i aminosyrer og i væggen af aortablodkarrene hos svin. Ferroelektricitet kan endda bruges til at fremstille sensorer, der kan efterligne mange menneskelige “multifunktionelle sensoriske systemer”.

Andre interessante udviklinger omfatter eksotiske materialer som “relaxorer” (hvor den dielektriske reaktion afhænger af frekvensen af det påførte felt) og “kvanteparoelektricitet” (hvor kvantefluktuationer undertrykker indtræden af ferroelektrisk orden). Forskerne er også begyndt at studere 2D-ferroelektriske stoffer med atom-for-atom-deponering og førsteprincipsberegninger, der peger på nye former for nanoskalaenheder og sensorer, som kunne være særligt nyttige til undersøgelse af menneskekroppen. Når alt kommer til alt, opfører hud, hår, negle og mange andre biologiske væv sig som piezoelektriske og ferroelektriske væv, når de udsættes for et elektrisk felt, og piezorespons-kraftmikroskoper giver allerede kvantitative data om menneskets biofunktionalitet.

Selv den grundlæggende fysik har ikke været immun over for ferroelektriske materialers kraft, idet forskere for nylig for første gang har observeret eksotiske topologiske defekter kaldet “polære skyrmioner” og “polære hopfioner” i ferroelektriske materialer. Det, der startede som en uskadelig eksperimentel observation foretaget af en kandidatstuderende for hundrede år siden, vil efter vores mening fortsat være til gavn for videnskab, teknologi og liv i yderligere 100 år og fremover.

Anvendelser af ferroelektriske materialer: fem af de bedste

Højenergikondensatorer og effektive energilagringsenheder

En stor fordel ved ferroelektriske materialer er, at de har en meget høj dielektrisk konstant, hvilket betyder, at de kan lagre masser af energi. De fleste kondensatorer i applikationer med høj energitæthed, f.eks. kompakte batterier, indeholder derfor ferroelektriske materialer. Og selv om ferroelektriske materialer opfører sig som isolatorer med meget høj elektrisk modstand, har de også spillet en vigtig rolle i forbindelse med opdagelsen af en ny klasse af materialer med nul modstand. I midten af 1980’erne arbejdede den senere nobelpristager i fysik Alex Müller på IBM’s forskningslaboratorium i Zürich og studerede perovskitter – en gruppe af materialer, der omfatter ferroelektriske materialer. Ved at ændre sammensætningen, men bevare deres grundlæggende struktur, fandt han ud af, at disse materialer kunne føre strøm uden modstand ved ca. 40 K, mens andre fandt lignende adfærd ved temperaturer med flydende kvælstof. Så vi kan takke ferroelektrikere for højtemperatur-superledere.

Nattsynsteknologi

Kameraer, der kan “se” om natten, kræver materialer, der genererer elektrisk ladning som reaktion på temperaturudsving. Pyroelektriske materialer, som genererer en spænding, når de opvarmes eller afkøles, kan klare opgaven, men det er bedre at bruge ferroelektriske materialer som triglycinsulfat. De har en meget højere “pyroelektrisk koefficient” og kan opløse temperaturforskelle på helt ned til 0,01 K. Infrarød stråling fra f.eks. en menneskekrop kan fokuseres på felter af ferroelektriske materialer, som absorberer lyset og omdanner det til en spænding, der kan bruges til at skabe et billede, der svarer til personens temperaturprofil. Sådanne kameraer anvendes også inden for medicin, sikkerhed og nattesyn. Zoologer har endda brugt natsynsudstyr til at se dyr, som de tidligere troede var uddøde, herunder vilde hunde på Ny Guinea.

Medicinsk ultralyd og undervandsakustik

Alle ferroelektriske materialer er piezoelektriske, hvilket betyder, at de genererer en elektrisk spænding, når de udsættes for tryk fra et objekt. Spændingen kan derefter bruges til at skabe et billede af objektet. Trykket behøver dog ikke nødvendigvis at være gennem direkte fysisk kontakt: Det kan også komme fra lydbølger, der reflekteres fra et objekt, der selv er under spænding. Ferroelektriske stoffer anvendes derfor i vid udstrækning inden for lægevidenskaben til at tage billeder af ufødte babyer for at kontrollere, hvordan de vokser og udvikler sig i moderens livmoder. Et lignende princip ligger bag hydrofonen: en anordning, der kan opfange lydbølger, der preller af på undervandsobjekter som f.eks. fiskeskiver. Ferroelektriske sensorer er også blevet brugt til at kortlægge havbundens topografi – som f.eks. i 2014, da de blev brugt til at lokalisere Malaysian Airlines’ fly MH370, der forsvandt et sted i det sydlige Indiske Ocean på en flyvning fra Kuala Lumpur til Beijing.

Aktuatorer og oversættere

Givet at alle ferroelektriske stoffer er piezoelektriske, vil materialet, hvis man påfører et elektrisk felt, ændre dimension langs en eller flere tilladte retninger som bestemt af dets grundlæggende krystalstruktur. Ændringen i størrelse kan være knap et par picometer pr. volt – men det kan stadig være uvurderligt. Ferroelektriske materialer som f.eks. blyzirconiumtitanat anvendes f.eks. i atomkraftmikroskoper til at se de enkelte atomer i materialer og også i scanning-tunnelmikroskoper, som Gerd Binnig og Heinrich Rohrer fik Nobelprisen i fysik for i 1986. Lignende materialer findes også i piezokraftmikroskoper og magnetokraftmikroskoper. Et andet ferroelektrisk materiale – blymagnesiumniobat/blytitanat – var en del af den anordning, som NASA i 1991 brugte til at rette op på fejl i spejlet på Hubble-rumteleskopet. Tidligere udviskede billeder, f.eks. af kernen af galaksen M100, blev nu meget klarere (sammenlign ovenfor til venstre og til højre).

Energihøst

Ferroelektriske materialer kan generere elektricitet under påvirkning af et indgående tryk, hvilket betyder, at nogle – såsom blyzirconiumtitanat indlejret i en polymer – kan bruges til at høste den energi fra biler og lastbiler, der ellers går tabt som varme eller støj. Den strøm, der kan genereres fra sådanne anordninger, er i øjeblikket relativt lille – typisk nogle få milliwatt – baseret på plader af polyvinylidendifluorid (PVDF) og deres polymerkompositter. Men hvis vi kan finde billige måder at opskalere produktionen af anordninger på, kan vi være på vej mod en vinder. En anden lovende anvendelse af energihøstningsanordninger er inden for medicin og biologi, hvor der kun er tale om meget små energier. De kunne være en fordel for patienter, der er blevet udstyret med batteridrevne mekaniske pacemakere for at holde deres hjerter i gang. Hvis batterierne løber tør, er den eneste måde at udskifte dem på, at en kirurg skal operere patienten. Men hvis batterierne kunne genoplades af den spænding, der genereres i et ferroelektrisk materiale direkte fra hjerteslagets stød, ville sådanne operationer høre fortiden til.