Piccoli difetti nei materiali di isolamento elettrico possono portare a guasti, derubando la rete elettrica e persino i telefoni cellulari di affidabilità ed efficienza.

Xiaoli Tan, un professore di scienza e ingegneria dei materiali della Iowa State University, sta lavorando per capire come quei difetti su scala nanometrica, quando soggetto a campi elettrici estremi, evolvere in fallimenti materiali. Quei fallimenti si trasformano in isolanti, che non conducono elettricità, in materiali che lasciano fluire una certa corrente.

Tali fallimenti, chiamati guasti dielettrici, di solito provocano cortocircuiti o fusibili bruciati.

Questi guasti si verificano in genere molto al di sotto della resistenza e della capacità teoriche del materiale isolante. E così, per proteggere sistemi di alimentazione e dispositivi elettronici, i materiali isolanti sono soggetti a tensioni ben al di sotto della loro capacità teorica oppure sono resi più spessi e pesanti.

"I materiali che non possono funzionare in modo affidabile rispetto agli estremi nei campi elettrici sono un ostacolo critico per raggiungere una maggiore efficienza energetica, "Tan ha scritto in una sintesi del suo progetto di ricerca.

Il programma di scienze energetiche di base del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti sostiene lo studio di quasi tre anni con una sovvenzione di $ 675, 000. Il centro energetico dell'Iowa, College of Engineering dell'Iowa State, il dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali, il Laboratorio Ames del Dipartimento dell'Energia e la concessione di denaro da diversi colleghi dello stato dell'Iowa hanno anche aiutato Tan ad acquistare un $ 140, 000 portacampioni per gli esperimenti.

Joshua Hoemke, un associato di ricerca post-dottorato dello Stato dell'Iowa in scienza e ingegneria dei materiali e un associato dell'Ames Laboratory, assisterà nel progetto. Geoff Brennecka, un assistente professore di ingegneria metallurgica e dei materiali presso la Colorado School of Mines a Golden, preparerà film sottili di tre materiali isolanti da testare.

Tan utilizzerà una tecnica che ha sviluppato per la microscopia elettronica a trasmissione in situ che è in grado di registrare immagini a risoluzioni superiori a 5 milionesimi di secondo e inferiori a 1 miliardesimo di metro. Il microscopio si trova nella Sensitive Instrument Facility del laboratorio Ames, a ovest del campus.

Lo strumento deve essere così sensibile perché si pensa che i guasti elettrici che Tan sta studiando inizino con difetti su scala nanometrica nei materiali isolanti, difetti di appena miliardesimi di metro di diametro. I guasti si verificano anche in microsecondi, solo milionesimi di secondo.

E così, "nessuno ha mai visto direttamente questi guasti, " disse Tan.

Anche cinque o dieci anni fa, Tan ha detto che gli strumenti scientifici non erano abbastanza veloci o sensibili da rilevare questi guasti.

Gli esperimenti registreranno come film sottili (sono spessi meno di 100 miliardesimi di metro) di tre materiali isolanti dal laboratorio di Brennecka in Colorado (biossido di titanio, titanato di zirconato di piombo e ossido di zirconio di piombo) si rompono se sottoposti a impulsi elettrici fino a 110 volt.

Dopo ogni impulso, la nanostruttura del materiale di prova, si analizzano la simmetria e la chimica, ha detto Tan. Ciò consentirà ai ricercatori di vedere e registrare l'evoluzione della rottura del materiale.

L'esperimento includerà anche il test e l'eventuale convalida di un meccanismo di indurimento per l'ossido di zirconio di piombo.

L'obiettivo finale di tutti i test è trovare i collegamenti mancanti tra difetti su scala nanometrica e guasti precoci dei materiali isolanti elettrici, ha detto Tan. Ciò potrebbe portare alla prossima generazione, materiali trasformazionali capaci di performare fino ai loro limiti teorici. E questo potrebbe aiutare a produrre sistemi di alimentazione migliori e più piccoli, dispositivi più leggeri per tutti noi.