Ferroelektriske materialer brukes i mange ulike produkter. Men det er ikke bærekraftig å produsere dem. Seyedmojtaba Seyeraoufi har jobbet med å finne og designe nye, organiske ferroelektriske materialer ved hjelp av beregningsbaserte metoder.
Ferroelektriske materialer er neppe kjent for alle, men de brukes i mange ulike bransjer, blant annet i elektronikk, bilindustrien, medisinske enheter og sensorer. Vanligvis er det uorganiske ferroelektriske materialer som brukes. Disse inneholder giftige tungmetaller. Ta for eksempel blyzirkonattitanat, som er et av de vanligste ferroelektriske materialene som brukes i industrien. Det inneholder bly.
Når tungmetaller hoper seg opp, utgjør de en trussel mot miljøet.
– I EU er man bekymret for miljøtrusselen slike tungmetaller utgjør. En ny strategi for bærekraftig bruk av kjemikalier tar sikte på å minimalisere bruk av, eller erstatte kjemikalier som har varige effekter på helse og miljø, sier stipendiat ved NMBU, Seyedmojtaba Seyedraoufi, og viser til ny EU-politikk.
Og det finnes alternativer til materialene vi bruker i dag: Organiske molekylære krystaller kan erstatte vanlige, uorganiske ferroelektriske materialer. De inneholder ikke tungmetaller. I tillegg kan de produseres ved lav temperatur, noe som krever lavere energiforbruk enn produksjon av organiske ferroelektriske materialer. Utfordringen er at vi foreløpig bare har oppdaget noen få organiske ferroelektriske materialer.
I sitt doktorgradsarbeid har Seyedraoufi prøvd å gjøre noe med dette. Ved å søke gjennom store mengder med data, har han funnet nye materialer som kan erstatte de konvensjonelle uorganiske ferroelektriske materialene.
Fra databaseutvinning til design av nye krystaller
For å finne nye materialer, brukte Seyedraoufi Cambridge Structural Database – en database som inneholder over en million krystallstrukturer. Omtrent halvparten av dem er organiske.
– Når vi vet hvor mange organiske krystallstrukturer som finnes, og hvor få organiske ferroelektriske materialer som er oppdaget til nå, var det veldig motiverende å søke i databasen, sier Seyedraoufi.
Databasesøket avslørte flere lovende strukturer. Blant de identifiserte kandidatene er det en spesiell type der den ferroelektriske mekanismen involverer hydrogenatomer som hopper mellom molekyler i krystallen. Siden hydrogenatomer er lette, kan de bevege seg og hoppe raskere sammenlignet med andre ioner, noe som gjør materialet attraktivt for applikasjoner som dataminne med lavspenning og høyhastighetsdrift.
Det er også mulig å designe nye organiske ferroelektriske materialer, og det var neste steg i prosessen. Det gjør man ved å bytte ut molekylene i en ferroelektrisk krystall med et annet molekyl og deretter sammenligne de forutsagte egenskapene for å vurdere om de kan forbedres. Når man endrer et molekyl, kan imidlertid den tredimensjonale pakkingen av molekylene i krystallen også endre seg. Denne utfordringen kan vi løse ved hjelp av en beregningsmetode kjent som krystallstrukturprediksjon (CSP).
– Dette ligner på å løse et puslespill. Man prøver å sette brikkene sammen på flere måter, men bare én løsning er den riktige, sier Seyedraoufi.
– Ved hjelp av CSP evaluerte jeg flere nye molekylære krystaller, og fant noen lovende ferroelektriske strukturer. Disse kombinerte jeg med krystaller jeg hadde funnet i databasesøket, som var foreslått for eksperimentell realisering og ferroelektriske målinger.
Resultatene fra Seyedraoufis doktorgradsarbeid gir innsikt som kan brukes til systematisk utvikling av nye organiske molekylære ferroelektriske materialer for mange ulike bruksområder.
Seyedmojtaba Seyedraoufi forsvarer sin doktorgradsavhandling «Beregningsbasert oppdagelse og design av organisk molekylære ferroelektriske materialer» 16. februar 2024. Se hele disputasoppslaget her.