El universo tiende naturalmente al desorden, y sólo mediante un aporte de energía podemos combatir este caos inevitable. Esta idea se resume en el concepto de entropía, que es evidente en fenómenos cotidianos como el derretimiento del hielo, el fuego y la ebullición del agua. Sin embargo, la teoría de la "entropía" introduce otra capa de significado en esta comprensión.
Esta teoría fue propuesta por un equipo dirigido por Zikui Liu, distinguida profesora Dorothy Pate Enright en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Penn State. La "Z" en zentropía proviene del término alemán "Zustandssumm", que significa "suma de estados" de entropía.
Liu dijo que "zentropía" también puede verse como un homófono del término budista "Zen" y entropía, que se utiliza para revelar la naturaleza de un sistema. La idea, dijo Liu, es considerar cómo se produce la entropía en múltiples escalas dentro de un sistema para ayudar a predecir resultados potenciales cuando el sistema se ve afectado por el entorno que lo rodea.
Liu y su equipo de investigación publicaron su último artículo sobre este concepto, demostrando que este enfoque puede proporcionar una forma de predecir resultados experimentales y permitir un descubrimiento y diseño más eficiente de nuevos materiales ferroeléctricos. El trabajo, publicado en ScriptaMaterialia, combina algo de intuición con una gran cantidad de conocimientos de física para proporcionar un enfoque sin parámetros para predecir el comportamiento de materiales avanzados.
Los ferroeléctricos tienen propiedades únicas que los hacen valiosos en una variedad de aplicaciones, tanto actualmente como en desarrollo, dicen los investigadores. Una de esas propiedades es la polarización eléctrica espontánea que puede revertirse mediante la aplicación de un campo eléctrico, lo que ha permitido el desarrollo de tecnologías que van desde ultrasonido hasta impresoras de inyección de tinta y RAM de bajo consumo en computadoras hasta giroscopios ferroeléctricos en teléfonos inteligentes, permitiendo videos fluidos y fotografías nítidas.
Para desarrollar estas técnicas, los investigadores necesitan comprender experimentalmente el comportamiento de esta polarización y su inversión. Para mejorar la eficiencia, los investigadores suelen diseñar experimentos basados en resultados previstos. Por lo general, tales predicciones requieren ajustes llamados "parámetros de ajuste" para que coincidan estrechamente con las variables del mundo real, cuya determinación requiere tiempo y esfuerzo. Pero la entropía Zen puede integrar la mecánica estadística de arriba hacia abajo y la mecánica cuántica de abajo hacia arriba para predecir mediciones experimentales de un sistema sin necesidad de tales ajustes.
"Por supuesto, al final, los experimentos son la prueba definitiva, pero descubrimos que la zentropía puede proporcionar predicciones cuantitativas que reducen enormemente el rango de posibilidades", dijo Liu. "Podemos diseñar mejores experimentos para explorar materiales ferroeléctricos, y los esfuerzos de investigación progresarán más rápido, lo que significa que se puede ahorrar tiempo, energía y dinero y ser más eficientes".
Si bien Liu y su equipo han aplicado con éxito la teoría de la entropía Zen para predecir las propiedades magnéticas de una variedad de materiales bajo diversos fenómenos, descubrir cómo aplicarla a materiales ferroeléctricos ha sido un problema espinoso. En el estudio actual, los investigadores informan que han encontrado una manera de aplicar la teoría de la entropía Zen a materiales ferroeléctricos, centrándose en el titanato de plomo. Como todos los materiales ferroeléctricos, el titanato de plomo tiene una polaridad eléctrica que puede invertirse cuando se aplica un campo eléctrico externo, un cambio de temperatura o una tensión mecánica.
Cuando un campo eléctrico invierte la polarización eléctrica, el sistema cambia del orden al desorden en una dirección y luego vuelve al orden cuando el sistema se estabiliza en la nueva dirección. Sin embargo, esta ferroelectricidad sólo se produce por debajo de una temperatura crítica única para cada material ferroeléctrico. Por encima de esta temperatura, la ferroelectricidad (la capacidad de invertir la polarización) desaparece y aparece la paraelectricidad (la capacidad de polarizar). Este cambio se llama cambio de fase. Las mediciones de estas temperaturas pueden revelar información clave sobre varios resultados experimentales, dijo Liu. Sin embargo, predecir las transiciones de fase antes de los experimentos es casi imposible.
"No existe ninguna teoría o método que pueda predecir con precisión la energía libre y la transición de fase de los materiales ferroeléctricos antes de los experimentos", dijo Liu. "La mejor predicción de la temperatura de transición difería en más de 100 grados de la temperatura real en el experimento".
La razón de esta diferencia son las incertidumbres desconocidas en el modelo y la incapacidad de los parámetros de ajuste para tener en cuenta toda la información destacada que afecta las mediciones reales. Por ejemplo, una teoría comúnmente utilizada describe las características macroscópicas de la ferroelectricidad y la cuasielectricidad, pero no tiene en cuenta características microscópicas como las paredes del dominio dinámico: los límites entre regiones con diferentes características de polarización dentro del material. Estas configuraciones son los componentes básicos del sistema y fluctúan significativamente con los cambios de temperatura y campo eléctrico.
En ferroeléctrica, la configuración de los dipolos eléctricos en el material cambia la dirección de polarización. Los investigadores utilizaron la entropía Zen para predecir las transiciones de fase del titanato de plomo, incluida la identificación de tres posibles configuraciones en el material.
Las predicciones de los investigadores son válidas y consistentes con las observaciones experimentales reportadas en la literatura científica. Utilizaron datos de energía de la pared de dominio disponibles públicamente para predecir una temperatura de transición de 776 Kelvin, que concuerda bien con la temperatura de transición experimental observada de 763 Kelvin. Liu dijo que el equipo de investigación está trabajando para reducir aún más la brecha entre las temperaturas previstas y observadas al predecir mejor la energía de la pared del dominio en función de la temperatura.
Liu dijo que esta capacidad de predecir la temperatura de transición tan cerca de las mediciones reales puede proporcionar información valiosa sobre las propiedades físicas de los materiales ferroeléctricos y ayudar a los científicos a diseñar mejor los experimentos: "Esto básicamente significa que se puede tener cierta intuición y métodos de predicción sobre el comportamiento microscópico y macroscópico del material antes de realizar el experimento. Podemos comenzar a predecir con precisión los resultados antes del experimento".
Otros investigadores de Penn State que trabajaron con Liu en el estudio incluyen a Shunli Shang, profesor de investigación de ciencia e ingeniería de materiales, Yi Wang, profesor de investigación de ciencia e ingeniería de materiales, y Jinglian Du, investigador de ciencia e ingeniería de materiales en el momento del estudio.