Ferroelektrische Materialien finden breite Anwendung in Infrarotkameras, medizinischen Ultraschallgeräten und Computerspeichern. Die meisten enthalten jedoch Blei und bergen somit ein Toxizitätsrisiko. Professor Laurent Bellesch von der Universität von Arkansas erklärt: „Seit einem Jahrzehnt wird weltweit intensiv nach bleifreien ferroelektrischen Materialien gesucht.“ Diese Materialien weisen vielfältige atomare Kristallstrukturen auf, mit besonders ausgeprägten Eigenschaften an den Phasengrenzen. Traditionell nutzen Wissenschaftler chemische Methoden, um die Phasengrenzen bleihaltiger ferroelektrischer Materialien zu kontrollieren und so die Leistung zu verbessern und die Partikelgröße zu reduzieren. Bleifreie ferroelektrische Materialien, die flüchtige Alkalimetalle enthalten, stehen jedoch vor Herausforderungen, da chemische Manipulationen zur Verdampfung führen können.

Belleschs Team entdeckte in Zusammenarbeit mit Physikern der Universität von Alberta, dass Dehnung (mechanische Kraft) anstelle chemischer Methoden die Leistung bleifreier ferroelektrischer Materialien verbessern kann. Sie stellten Natriumniobat-Filme (NaNbO₃) her, die bei Raumtemperatur eine komplexe und flexible Kristallstruktur aufweisen. Die Forscher ließen Natriumniobat-Filme auf einem Substrat wachsen und veränderten deren Atomstruktur durch Dehnung. Dadurch zogen sich die Filme zusammen und dehnten sich aus, um sich dem Substrat anzupassen, wodurch Spannungen entstanden. „Natriumniobat ist etwas ganz Besonderes; eine geringfügige Änderung der Kettenlänge führt zu einem signifikanten Phasenübergang“, erklärte Belesh. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die Dehnung dazu führte, dass Natriumniobat gleichzeitig drei Phasen aufwies und so seine ferroelektrischen Eigenschaften durch Vergrößerung der Phasengrenze optimierte. „Ich dachte ursprünglich, dass die Änderung der Dehnung zu einem Phasenübergang führen würde, aber ich hatte nicht erwartet, dass drei Phasen gleichzeitig auftreten würden; das ist eine wichtige Entdeckung“, so Belesh. Das Experiment wurde bei Raumtemperatur durchgeführt. Zukünftige Forschungen werden das Dehnungsverhalten von Natriumniobat bei extremen Temperaturen untersuchen. Die Forschungsergebnisse wurden in *Nature Communications* veröffentlicht. Hauptautor war Ruijuan Xu von der North Carolina State University, weitere Autoren kamen von mehreren renommierten Universitäten und nationalen Forschungseinrichtungen.

Weitere Informationen: Reza Ghanbari et al., „Strain-Induced Lead-Free Allogeneic Phase Boundaries“, *Nature Communications* (2025). Zeitschrifteninformationen: *Nature Communications*.