Newswise – University Park, Pennsylvanie – Les systèmes de l’univers se dirigent vers le chaos, seule l’énergie étant utilisée pour éloigner le chaos. Ce concept s’appelle l’entropie, et des exemples peuvent être trouvés partout : glace fondante, feu de camp brûlant, eau bouillante. Cependant, la théorie Zentropy ajoute un autre niveau au mélange.
Une équipe dirigée par Zi-Kui Liu, professeur Dorothy Butt Enright de science et d’ingénierie des matériaux à Penn State, a développé la théorie. Le « Z » dans zentropy représente le mot allemand Zustandssumm, qui signifie « 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 l’entropie pour mieux comprendre la nature du système. L’idée, a déclaré Liu, est d’examiner comment l’entropie se produit à plusieurs niveaux au sein d’un système pour aider à prédire les résultats probables du système lorsqu’il est affecté par son environnement.
Liu et son équipe de recherche ont publié leur dernier document conceptuel, prouvant que l’approche peut fournir un moyen de prédire les résultats des expériences et permettre la découverte et la conception de nouveaux matériaux ferroélectriques plus efficaces. Le travail, qui implique une certaine intuition et beaucoup de physique pour fournir un chemin sans paramètre pour prédire le comportement des matériaux avancés, est publié dans matériel textuel.
Les chercheurs ont déclaré que les ferroélectriques ont des propriétés uniques, ce qui les rend précieux pour une grande variété d’applications dans le développement actuel et de matériaux. L’une de ces propriétés est la polarisation électrique spontanée qui peut être inversée en appliquant un champ électrique, ce qui facilite les technologies allant des ultrasons aux imprimantes à jet d’encre en passant par la RAM économe en énergie pour les ordinateurs et les gyroscopes électriques dans les smartphones qui permettent des images nettes et fluides.
Pour développer ces techniques, les chercheurs doivent expérimenter pour comprendre le comportement et la réflexion de cette polarisation. Dans un souci d’efficacité, les chercheurs conçoivent généralement leurs expériences en fonction des résultats attendus. En règle générale, de telles prédictions nécessitent des ajustements appelés « paramètres d’ajustement » pour correspondre plus étroitement aux variables du monde réel, ce qui prend du temps et de l’énergie à déterminer. Mais la zentropie peut incorporer la mécanique quantique statistique descendante et ascendante pour prédire les mesures empiriques d’un système sans de telles modifications.
Bien sûr, en fin de compte, les expériences sont le test ultime, a déclaré Liu, « mais nous avons découvert que la zentropie peut fournir une prédiction quantitative qui peut considérablement réduire les possibilités. Vous pouvez concevoir de meilleures expériences pour explorer les matériaux ferroélectriques et le les travaux de recherche peuvent progresser plus rapidement, ce qui signifie que vous économisez du temps, de l’énergie et de l’argent, ce qui sera plus efficace.
Alors que Liu et son équipe ont réussi à appliquer la théorie de la zentropie à Prédire les propriétés magnétiques d’un groupe de matériaux Pour différents phénomènes, il a été difficile de déterminer comment ils s’appliquent aux matériaux ferroélectriques. Dans l’étude actuelle, les chercheurs rapportent avoir trouvé un moyen d’appliquer la théorie de la zentropie aux ferroélectriques, en mettant l’accent sur les titanates de plomb. Comme tous les matériaux ferroélectriques, les titanates de plomb possèdent une polarisation électrique qui peut être inversée lors de l’application de champs électriques externes, de changements de température ou de contraintes mécaniques.
Lorsque le champ électrique inverse l’inversion de polarisation électrique, le système passe de l’ordre dans une direction à l’ordre désordonné, puis à l’ordre à nouveau lorsque le système se stabilise 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 – capacité à inverser la polarisation – disparaît et la quasi-électricité – capacité à polariser – apparaît. Le changement s’appelle la phase de transition. Liu a déclaré que la mesure de ces températures peut fournir des informations importantes sur les résultats de diverses expériences. Cependant, prédire la transition de phase avant l’expérience est presque impossible.
« Il n’existe aucune théorie ou méthode qui puisse prédire avec précision l’énergie libre et les transitions de phase des matériaux ferroélectriques avant les expériences », a déclaré Liu. « La meilleure prédiction de la température de transition est à plus de 100 degrés de la température réelle de l’expérience. »
Cet écart est dû à des incertitudes inconnues dans les modèles, ainsi qu’à des paramètres d’ajustement qui ne peuvent pas prendre en compte toutes les informations saillantes affectant les mesures réelles. Par exemple, la théorie souvent utilisée décrit les caractéristiques macroscopiques de la ferroélectricité et de la quasi-électricité, mais ne prend pas en compte les caractéristiques microscopiques telles que les parois de domaine dynamiques – les frontières entre les régions ayant des propriétés de polarisation distinctes au sein de la matière. Ces configurations sont les éléments constitutifs du système et fluctuent fortement en fonction de la température et du champ électrique.
Dans les ferroélectriques, la formation de dipôles électriques dans la matière peut changer la direction de polarisation. Les chercheurs ont appliqué la zentropie pour prédire les transitions de phase dans les titanates de plomb, notamment en identifiant trois types de configurations possibles dans le matériau.
Les prédictions faites par les chercheurs étaient efficaces et cohérentes avec les observations faites lors des 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 K, ce qui montre un accord remarquable avec la température de transition expérimentale observée de 763 degrés K. Liu a déclaré que l’équipe travaille à réduire la différence entre les températures prévues et observées avec de meilleures prédictions des énergies de paroi de domaine en fonction de la température.
Liu a déclaré que cette capacité à prédire avec précision la température de transition à partir de mesures réelles pourrait fournir des informations précieuses sur la physique des matériaux ferroélectriques – et aider les scientifiques à améliorer leurs conceptions expérimentales.
« Cela signifie essentiellement que vous pouvez avoir une certaine intuition et une approche prédictive sur le comportement de la matière aux niveaux microscopique et macroscopique avant de faire des expériences », a déclaré Liu. « Nous pouvons commencer à prédire avec précision le résultat avant l’expérience. »
Outre Liu, d’autres chercheurs de l’étude de Penn State incluent Xun Lishang, professeur de recherche en science et ingénierie des matériaux. Yi Wang, professeur-chercheur en science et génie 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.
