Entropy - Lý thuyết mới có thể biến đổi khoa học vật liệu

Lý thuyết này được đề xuất bởi một nhóm do Zikui Liu, Giáo sư xuất sắc Dorothy Pate Enright tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu tại Đại học Bang Pennsylvania, dẫn đầu. Chữ "Z" trong zentropy xuất phát từ thuật ngữ tiếng Đức "Zustandssumm", có nghĩa là "tổng các trạng thái" của entropy.

Liu nói rằng "zentropy" cũng có thể được coi là từ đồng âm của thuật ngữ Phật giáo "Zen" và entropy, được sử dụng để tiết lộ bản chất của một hệ thống. Liu cho biết, ý tưởng là xem xét cách entropy xảy ra ở nhiều quy mô trong một hệ thống để giúp dự đoán các kết quả tiềm ẩn khi hệ thống bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh.

Liu và nhóm nghiên cứu của ông đã xuất bản bài báo mới nhất về khái niệm này, chứng minh rằng phương pháp này có thể cung cấp một cách để dự đoán kết quả thử nghiệm và cho phép khám phá và thiết kế các vật liệu sắt điện mới hiệu quả hơn. Công trình được xuất bản trên ScriptaMaterialia, kết hợp một số trực giác với kiến ​​thức vật lý phong phú để cung cấp một phương pháp tiếp cận không cần tham số để dự đoán hành vi của các vật liệu tiên tiến. Các nhà nghiên cứu cho biết

Chất sắt điện có những đặc tính độc đáo khiến chúng có giá trị trong nhiều ứng dụng khác nhau, cả hiện tại và trong quá trình phát triển làm vật liệu. Một đặc tính như vậy là sự phân cực điện tự phát có thể bị đảo ngược bằng cách sử dụng điện trường, điều này cho phép phát triển các công nghệ từ siêu âm đến máy in phun và RAM tiết kiệm năng lượng trong máy tính cho đến con quay hồi chuyển điều khiển bằng sắt điện trong điện thoại thông minh, cho phép quay video mượt mà và hình ảnh sắc nét.

Để phát triển các công nghệ này, các nhà nghiên cứu cần tiến hành các thí nghiệm để hiểu rõ hoạt động của sự phân cực này và sự đảo ngược của nó. Để nâng cao hiệu quả, các nhà nghiên cứu thường thiết kế thí nghiệm dựa trên kết quả dự đoán. Thông thường, những dự đoán như vậy yêu cầu những điều chỉnh được gọi là "tham số phù hợp" để khớp chặt chẽ với các biến số trong thế giới thực, việc này cần có thời gian và công sức để xác định. Nhưng entropy Zen có thể tích hợp cơ học thống kê từ trên xuống và cơ học lượng tử từ dưới lên để dự đoán các phép đo thực nghiệm của một hệ mà không cần những điều chỉnh như vậy.

Liu nói: "Tất nhiên, xét cho cùng, thí nghiệm là thử nghiệm cuối cùng, nhưng chúng tôi nhận thấy rằng zentropy có thể đưa ra dự đoán định lượng giúp thu hẹp đáng kể phạm vi khả năng. Chúng tôi có thể thiết kế các thí nghiệm tốt hơn để khám phá vật liệu sắt điện và công việc nghiên cứu cũng sẽ tiến triển." Nhanh hơn, có nghĩa là hiệu quả hơn trong việc tiết kiệm thời gian, công sức và tiền bạc. "

Trong khi Liu và nhóm của ông đã áp dụng thành công lý thuyết entropy Zen để dự đoán tính chất từ của một loạt vật liệu dưới nhiều hiện tượng khác nhau, thì việc khám phá ra cách áp dụng nó cho vật liệu sắt điện là một vấn đề hóc búa. Trong nghiên cứu hiện tại, các nhà nghiên cứu báo cáo rằng họ đã tìm ra cách áp dụng lý thuyết entropy Zen cho vật liệu sắt điện, tập trung vào chì titanate. Giống như tất cả các vật liệu sắt điện, chì titanate có cực tính điện có thể đảo ngược khi có điện trường bên ngoài, thay đổi nhiệt độ hoặc ứng suất cơ học

.Khi một điện trường đảo ngược sự phân cực điện, hệ thống thay đổi từ trật tự sang mất trật tự theo một hướng, sau đó trở lại trật tự khi hệ thống ổn định theo hướng mới. Tuy nhiên, tính chất sắt điện này chỉ xảy ra dưới nhiệt độ tới hạn dành riêng cho từng vật liệu sắt điện. Trên nhiệt độ này, tính sắt điện - khả năng phân cực ngược - biến mất, và tính thuận điện - khả năng phân cực - xuất hiện. Sự thay đổi này được gọi là sự thay đổi pha. Liu cho biết, phép đo những nhiệt độ này có thể tiết lộ thông tin quan trọng về các kết quả thí nghiệm khác nhau. Tuy nhiên, việc dự đoán sự chuyển pha trước khi tiến hành thí nghiệm là gần như không thể.

"Không có lý thuyết và phương pháp nào có thể dự đoán chính xác năng lượng tự do và sự chuyển pha của vật liệu sắt điện trước các thí nghiệm", Liu nói. "Dự đoán tốt nhất về nhiệt độ chuyển tiếp khác với nhiệt độ thực tế trong thí nghiệm hơn 100 độ."

Lý do cho sự khác biệt này là do sự không chắc chắn chưa xác định trong mô hình và việc các thông số phù hợp không thể tính đến tất cả thông tin nổi bật ảnh hưởng đến các phép đo thực tế. Ví dụ, một lý thuyết thường được sử dụng mô tả các đặc điểm vĩ mô của sắt điện và bán điện, nhưng không tính đến các đặc điểm vi mô như các vách miền động - ranh giới giữa các vùng có đặc điểm phân cực khác nhau trong vật liệu. Các cấu hình này là các khối xây dựng của hệ thống và dao động đáng kể với những thay đổi về nhiệt độ và điện trường.

Trong vật liệu sắt điện, cấu hình của các lưỡng cực điện trong vật liệu sẽ thay đổi hướng phân cực. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng entropy Zen để dự đoán sự chuyển pha của titanate chì, bao gồm cả việc xác định ba cấu hình có thể có trong vật liệu.

Dự đoán của các nhà nghiên cứu là xác thực và nhất quán với các quan sát thực nghiệm được báo cáo trong tài liệu khoa học. Họ sử dụng dữ liệu năng lượng vách miền công bố rộng rãi để dự đoán nhiệt độ chuyển tiếp là 776 Kelvin, rất phù hợp với nhiệt độ chuyển tiếp thực nghiệm quan sát được là 763 Kelvin. Liu cho biết nhóm nghiên cứu đang nỗ lực thu hẹp hơn nữa khoảng cách giữa nhiệt độ dự đoán và nhiệt độ quan sát được bằng cách dự đoán tốt hơn năng lượng thành miền dưới dạng hàm của nhiệt độ.

Liu cho biết khả năng dự đoán nhiệt độ chuyển tiếp gần với phép đo thực tế này có thể cung cấp những hiểu biết có giá trị về tính chất vật lý của vật liệu sắt điện và giúp các nhà khoa học thiết kế thí nghiệm tốt hơn: "Về cơ bản, điều này có nghĩa là bạn có thể có một số phương pháp trực giác và dự đoán về hành vi vi mô và vĩ mô của vật liệu trước khi tiến hành thí nghiệm. Chúng ta có thể bắt đầu dự đoán chính xác kết quả trước thí nghiệm."

Các nhà nghiên cứu khác của Bang Pennsylvania đã làm việc với Liu trong nghiên cứu này bao gồm Shunli Shang, giáo sư nghiên cứu về khoa học và kỹ thuật vật liệu, Yi Wang, giáo sư nghiên cứu về khoa học và kỹ thuật vật liệu, và Jinglian Du, một nhà nghiên cứu khoa học và kỹ thuật vật liệu tại thời điểm nghiên cứu.