A nagy felfedezések néha úgy születnek, hogy senki sem tudja, milyen fontosak lesznek. C. V. Raman például 1930-ban fizikai Nobel-díjat kapott azért, mert felfedezte, hogy a fény szórás közben energiát változtathat, a Raman-spektroszkópia azonban csak jóval a lézer 1960-as feltalálása után vált értékes kutatási eszközzé. Hasonlóképpen, kevesen gondolták volna, hogy Paul Diracnak az antirészecskékre vonatkozó, erőltetett, mégis merész javaslata – amelyért 1933-ban Nobel-díjat kapott – fél évszázaddal később a pozitronemissziós tomográfiához vezet majd.

De van egy kevésbé ismert – mégis fontos – felfedezés, amely akkoriban szintén nagyrészt fel sem ismerték. Ezt 100 évvel ezelőtt, 1920-ban Joseph Valasek (1897-1993) tette, aki akkoriban végzős diákként William Swann felügyelete alatt dolgozott a Minnesotai Egyetemen, Minneapolisban, az Egyesült Államokban. Valasek egy olyan szeizmográf kifejlesztésére törekedett, amellyel mérni lehetne a földrengések rezgéseit, és arra gondolt, hogy ezt piezoelektromos kristályokkal lehetne megvalósítani, amelyek összenyomáskor elektromos jelet hoznak létre.

A legkönnyebben hozzáférhető piezoelektromos, ami a rendelkezésére állt, egy egykristályos anyag volt, amelyet először a 17. században szintetizált Pierre Seignette, a francia La Rochelle tengeri kikötő gyógyszerésze. A borból kivont anyag Rochelle-só vagy Seignette-só néven vált ismertté, és kémiai képlete kálium-nátrium-tartarát-tetrahidrát (KNaC4H4O6-4H2O). Amikor Valasek egy mintát ebből az anyagból elektromos térbe, E-be helyezett, észrevette, hogy a keletkező elektromos polarizációja, P, valami szokatlan dolgot művel.

Amint növelte a teret, a polarizáció nőtt, és a P és E grafikonja S alakú görbét követett. Amikor azonban a mezőt ismét csökkentette, a polarizáció mindig magasabb volt, mint korábban, bár ugyanolyan görbét követett. Más szóval a polarizáció pontos értéke attól függött, hogy a mező emelkedett vagy csökkent: hiszterézist mutatott (1. ábra). Ez a megfigyelés annyira szokatlan volt, hogy Swann az Amerikai Fizikai Társaság 1920. áprilisi ülésén, a Maryland állambeli Gaithersburgban “Piezoelektromos és kapcsolódó jelenségek a Rochelle-sóban” című előadásában mutatta be. (Valasek alacsony PhD-hallgatóként nem is vett részt az ülésen.)

Swann és Valasek nem tudták, mi okozta a hiszterézist, de párhuzamot mutattak egy felfedezéssel, amelyet három évtizeddel korábban James Alfred Ewing skót fizikus tett. Ő hasonló viselkedést látott bizonyos ferromágneseknél, és észrevette, hogy a mágneses momentum függ attól, hogyan változott a mágneses mező. Valasek felfedezése tehát az anyagok egy teljesen új osztályára mutatott rá, amelyben az elektromos dipólusmomentum – és így a polarizáció is – attól függ, hogyan változik az elektromos tér.

Sztétikus siker

Most “ferroelektrikának” nevezik ezeket az anyagokat, és a modern életben elképesztő alkalmazásokat találunk rájuk (lásd “A ferroelektrikák alkalmazásai: öt a legjobbak közül”). Azonban sem Swann, sem Valasek nem hallott még a kifejezésről, amelyet 1912-ben Erwin Schrödinger talált ki, miután megjósolta, hogy bizonyos folyadékok spontán polarizálódni tudnak, amikor megszilárdulnak. Mi több, Valasek felfedezése nagyrészt észrevétlen maradt. Annak ellenére, hogy 1921 és 1924 között négy cikket írt megfigyeléseiről a Physical Review-ban, egy további jegyzetet pedig 1927-ben a Science-ben, az egész 1920-as években nem tettek kísérletet a jelenség elméleti megalapozására.

A legtöbb fizikust, úgy tűnik, jobban érdekelte a kvantumfizika és más alapvető jelenségek, például a Bragg-diffrakció és a Raman-spektroszkópia. Valójában csak az 1930-as évek végén használta újra valaki ténylegesen a “ferroelektromosság” szót a szakirodalomban. A kutatás csak azután lendült fel igazán, hogy a későbbi Nobel-díjas fizikus, Vitaly Ginzburg 1946-ban klasszikus tanulmányt írt a témáról, bár még ő is “Seignettoelektromos” hatásnak nevezte, mivel először a Seignette-sóban figyelték meg.

A területnek lendületet adott az is, hogy a második világháború alatt felfedeztek egy másik ferroelektromos anyagot: a báriumtitanátot (BaTiO3). A Rochelle-sótól eltérően vízben nem oldódik, szobahőmérsékleten kémiailag stabil, és sokkal jobb elektromos és mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik. A bárium-titanát ezért tökéletes anyag volt a nagy energiasűrűségű kondenzátorok számára, bár csak a háború után jöttek rá a kutatók, hogy ferroelektromos, és elektromos tulajdonságaiban árulkodó hiszterézist mutat.

Az elméleti szakemberek most kezdték el megfelelően megérteni a ferroelektrikumok viselkedését, amit a kísérletezők segítettek, akik elkezdték ezen anyagok szerkezetének gondos kristályográfiai elemzését végezni. Az 1950-es évek végére több száz különböző oxidalapú ferroelektromos anyagot fedeztek fel – amelyek mintegy 30 különböző szerkezeti családba tartoztak -, a fizikusok pedig vizsgálták elektromos tulajdonságaikat, és mérlegelték az új eszközalkalmazásokban rejlő lehetőségeiket.

A ferroelektrikumok szisztematikus vizsgálatának egyik következménye 1968-ban következett be, amikor olyan kutatók, mint Keitsiro Aizu a tokiói Hitachi Központi Kutatási Laboratóriumból (Japán) megjósolták, hogy egy anyag rugalmas alakváltozása és az alkalmazott feszültség között hasonló hiszterézisszerű kapcsolat állhat fenn. A “ferroelasztikumoknak” nevezett anyagok némelyike abban a tekintetben szokatlan, hogy ha egy bizonyos hőmérséklet alá hűtjük őket, majd mechanikusan eltorzítjuk őket, akkor visszanyerik eredeti alakjukat, ha újra felmelegítjük őket.

Ezek a ferroelasztikumok, más szóval, “emlékeznek” eredeti fizikai és geometriai alakjukra. Ide tartoznak az “alakemlékező ötvözetek”, mint például a nikkel-titán, amelyet széles körben használnak működtető és pozicionáló eszközökhöz, míg másokat az óceánfenéken lévő elektromos kábelektől kezdve a hajlítható szemüvegkeretekig mindenben alkalmaznak. A ferroelasztikumokat még az űrben is használják olyan antennák és egyéb szerkentyűk kialakítására, amelyek összehajthatók, majd felmelegedve kibonthatók.

Ismerd meg a családot

A hatvanas évek végére a fizikusok tehát már három olyan anyagcsaládot ismertek, amelyek mindegyike hiszterézist mutat: a ferroelektrikumok, a ferromágnesek és a ferroelasztikumok. Közös bennük, hogy a szomszédos kristálytartományok rendelkeznek egy bizonyos, ellentétes irányba “mutató” tulajdonsággal (a ferroelektrikumoknál elektromos dipólus, a ferromágneseknél mágnesesség, a ferroelasztikumoknál feszültség), amelyet külső térrel “át lehet kapcsolni”, hogy mind ugyanabba az irányba mutasson. Sőt, Ginzburg – és egy másik későbbi Nobel-díjas, Lev Landau – mindhárom típus viselkedését egyetlen, egyszerű, fenomenológiai elmélettel tudta megmagyarázni.

A tudósok egy része még az anyagokat is a “ferroelemek” közös zászlaja alatt kezdte csoportosítani – ez az elnevezés annak ellenére megragadt a szakirodalomban, hogy sok anyag valójában nem tartalmaz vasat. Sőt, az 1970-es években felfedezték a ferroikus anyagok egy negyedik családját is, az úgynevezett “ferrotoroidokat”, amelyeknél a toroidmező (az elektromos és a mágneses mező kereszteződése) hiszterézissel rendelkezik. Az olyan anyagokat is beleértve, mint a lítium-kobalt-foszfát (LiCo(PO4)3), ezek mágneses örvényekkel rendelkeznek a szomszédos doménekben, amelyeket egymás mellé lehet állítani.

És ha ez nem lenne elég, a kutatók olyan anyagokat is találtak, amelyek egynél több ferroikus tulajdonságot egyesítenek akár egyetlen fázisban, akár kompozit szerkezetben. Az úgynevezett “multiferroikus” anyagok közé tartoznak a “magnetoelektromos” anyagok, amelyekben a mágnesezettség elektromos térrel szabályozható, a polarizáció pedig mágneses térrel manipulálható (amit Pierre Curie már 1894-ben javasolt). Az ilyen anyagok például szobahőmérsékleten képesek mérni az emberi neuronok pikotezla méretű mágneses tereit.

A ferroelektromos anyagokban az a legérdekesebb, hogy ezek az anyagok piezoelektromos (feszültség hatására áramot termelnek) és piroelektromos (hőmérséklet-változás hatására áramot termelnek) anyagok is. Ezek az egyedülálló tulajdonságok vezettek ahhoz, hogy a ferroelektrikumokat számos alkalmazásban használják a nagy energiasűrűségű kondenzátoroktól és az éjjellátó készülékektől kezdve az ultrahangos orvosi berendezéseken át az intelligens technológiákig az energiagyűjtéshez, valamint az aktuátorokig és a fordítókig. Még a betörésjelzőkben, öngyújtókban, szívritmus- és vérnyomásmérőkben is találunk ferroelektromosságot.

A jövő a ferroelektromosságé

Egy évszázaddal a ferroelektromosság felfedezése után, ami egy hiánypótló kutatási területnek indult, óriási fejlődésen ment keresztül: a mai napig több mint 20 000 kutatási cikk jelent meg a témában, amit a nano- és makroszkópikus léptéktől a számtalan alkalmazás vezérel. Még a biológiára is kiterjedt: a ferroelektromos viselkedés például az aminosavakban és a sertések aorta érfalában is kimutatható. A ferroelektrikumok még olyan szenzorok előállítására is felhasználhatók, amelyek számos emberi “multifunkcionális érzékelőrendszert” képesek reprodukálni.

A többi érdekes fejlesztés között olyan egzotikus anyagok is szerepelnek, mint a “relaxátorok” (amelyekben a dielektromos válasz az alkalmazott tér frekvenciájától függ) és a “kvantum-paraelektrikumok” (amelyekben a kvantumfluktuációk elnyomják a ferroelektromos rend kialakulását). A kutatók elkezdték a 2D ferroelektrikumok tanulmányozását is, az atomról atomra történő leválasztás és az első elvi számítások újfajta nanoméretű eszközök és érzékelők felé mutatnak, amelyek különösen hasznosak lehetnek az emberi test tanulmányozásában. Végül is a bőr, a haj, a köröm és sok más biológiai szövet piezoelektrikusként és ferroelektrikusként viselkedik, amikor elektromos mezőnek van kitéve, és a piezoválasz-erő mikroszkópok már kvantitatív adatokat szolgáltatnak az emberi biofunkcionalitásról.

A ferroelektrikumok ereje még az alapfizikát sem hagyta hidegen, a kutatók nemrég először figyeltek meg egzotikus topológiai hibákat, úgynevezett “poláris skyrmionokat” és “poláris hopfionokat” ferroelektromos anyagokban. Ami egy végzős hallgató ártalmatlan kísérleti megfigyelésének indult egy évszázaddal ezelőtt, az – úgy véljük – még 100 évig és azon túl is hasznára lesz a tudománynak, a technológiának és az életnek.

A ferroelektrikumok alkalmazásai: öt a legjobbak közül

Nagyenergiakondenzátorok és hatékony energiatároló eszközök

A ferroelektromos anyagok egyik nagy előnye, hogy nagyon nagy dielektromos állandóval rendelkeznek, ami azt jelenti, hogy sok energiát képesek tárolni. A nagy energiasűrűségű alkalmazásokban, például a kompakt akkumulátorokban használt kondenzátorok többsége ezért ferroelektromos anyagokat tartalmaz. És annak ellenére, hogy a ferroelektrikumok nagyon nagy elektromos ellenállású szigetelőként viselkednek, kulcsszerepet játszottak a nulla ellenállású anyagok új osztályának felfedezésében is. Az IBM zürichi kutatólaboratóriumában dolgozó későbbi Nobel-díjas fizikus, Alex Müller az 1980-as évek közepén a perovszkitokat tanulmányozta – a ferroelektrikumokat is magában foglaló anyagcsoportot. Az összetétel módosításával, de az alapszerkezetük megtartásával azt találta, hogy ezek az anyagok körülbelül 40 K-en ellenállás nélkül vezetik az áramot, míg mások hasonló viselkedést tapasztaltak folyékony nitrogén hőmérsékleten. A magas hőmérsékletű szupravezetőket tehát a ferroelektrikumoknak köszönhetjük.

Night-vision technology

Az éjszaka “látó” kamerákhoz olyan anyagokra van szükség, amelyek a hőmérséklet-változás hatására elektromos töltést termelnek. A piroelektrikumok, amelyek melegítéskor vagy hűtéskor feszültséget generálnak, alkalmasak lehetnek erre a feladatra, de jobb, ha ferroelektrikumokat, például triglicin-szulfátot használunk. Ezek sokkal nagyobb “piroelektromos együtthatóval” rendelkeznek, és akár 0,01 K hőmérséklet-különbségeket is képesek feloldani. A például az emberi testről érkező infravörös sugárzást ferroelektromos anyagok tömbjeire lehet fókuszálni, amelyek elnyelik a fényt, és feszültséggé alakítják azt, amelyből a személy hőmérsékleti profiljának megfelelő képet lehet készíteni. Az ilyen kamerákat az orvostudományban, a biztonságban és az éjszakai látásban is használják. A zoológusok még olyan állatokat is láttak már éjjellátó eszközökkel, amelyekről korábban azt hitték, hogy kihaltak, például vadkutyákat Új-Guineában.

Az orvosi ultrahang és a víz alatti akusztika

Minden ferroelektromos anyag piezoelektromos, ami azt jelenti, hogy elektromos feszültséget generál, amikor egy tárgy nyomást gyakorol rá. A feszültséget aztán arra lehet használni, hogy a tárgyról képet alkossunk. A nyomásnak azonban nem feltétlenül kell közvetlen fizikai érintkezés útján keletkeznie: származhat egy olyan tárgyról visszaverődő hanghullámokból is, amely maga is feszültség alatt áll. A ferroelektrikát ezért széles körben használják az orvostudományban a születendő csecsemők képalkotására, hogy ellenőrizzék, hogyan növekednek és fejlődnek az anya méhében. Hasonló elven alapul a hidrofon is: ez egy olyan eszköz, amely a víz alatti tárgyakról, például halrajokról visszaverődő hanghullámokat képes összegyűjteni. A ferroelektronikát az óceánfenék topográfiájának feltérképezésére is használták már – például 2014-ben, amikor a Kuala Lumpurból Pekingbe tartó Malaysian Airlines MH370-es járatának megtalálására használták, amely valahol az Indiai-óceán déli részén tűnt el.

Aktorok és fordítók

Mivel minden ferroelektromos piezoelektromos, ha elektromos teret alkalmazunk, az anyag egy vagy több megengedett irányban változtatja meg a méretét, amit az alapvető kristályszerkezete határoz meg. A méretváltozás alig néhány pikométer lehet voltonként – de ez még így is felbecsülhetetlen értékű lehet. Az olyan ferroelektrikumokat, mint például az ólom-cirkónium-titanát, atomerő-mikroszkópokban használják az egyes atomok anyagokban való megfigyelésére, valamint a pásztázó alagútmikroszkópokban, amelyekért Gerd Binnig és Heinrich Rohrer 1986-ban fizikai Nobel-díjat kapott. Hasonló anyagok találhatók a piezoerő-mikroszkópokban és a mágneserő-mikroszkópokban is. Sőt, egy másik ferroelektromos – ólom-magnézium-niobát/ólom-titanát – része volt annak az eszköznek, amelyet a NASA 1991-ben a Hubble űrteleszkóp tükrének hibáinak kijavítására használt. A korábban elmosódott képek, például az M100 galaxis magjáról, most sokkal tisztábbak lettek (vö. balra és jobbra fent).

Energiatermelés

A ferroelektromos anyagok képesek áramot termelni egy bemeneti tolóerő hatására, ami azt jelenti, hogy egyesek – például a polimerbe ágyazott ólom-cirkónium-titanát – felhasználhatók az autók és teherautók azon energiájának összegyűjtésére, amely egyébként hő vagy zaj formájában elvész. Az ilyen eszközökkel előállítható teljesítmény jelenleg viszonylag kicsi – jellemzően néhány milliwatt -, és a polivinilidén-difluorid (PVDF) lemezeken és azok polimer kompozitjain alapul. Ha azonban megtaláljuk az eszközök gyártásának olcsó, méretnövelő módszereit, akkor győztesek lehetünk. Az energiagyűjtő eszközök másik ígéretes alkalmazási területe az orvostudomány és a biológia, ahol csak nagyon kis energiákról van szó. Ezek az eszközök jótékony hatással lehetnek azokra a betegekre, akiket elemmel működő mechanikus pacemakerrel láttak el, hogy szívük folyamatosan pumpáljon. Ha az elemek lemerülnek, csak úgy lehet kicserélni őket, hogy a sebész megműti a beteget. De ha az akkumulátorokat egy ferroelektromos anyagban közvetlenül a szívverés lökéséből keletkező feszültséggel lehetne feltölteni, akkor az ilyen műtétek a múlté lennének.