Studiamo il movimento di cose incredibilmente piccole. Quanto è piccolo? Pensa più piccolo di "nano". Pensa più piccolo degli atomi stessi. Misuriamo gli spostamenti infinitamente piccoli nelle posizioni degli atomi rispetto alle forze elettriche. Misurare in piccolo è impegnativo, ma gratificante. Misurando cose così piccole, sbloccheremo segreti nascosti che faranno avanzare una serie di diversi dispositivi elettronici.

Come e perché? Cominciamo con le basi.

La maggior parte delle persone sa che i metalli sono bravi a condurre l'elettricità. Ciò significa che gli elettroni possono percorrere lunghe distanze attraverso la maggior parte dei metalli. La rete elettrica è un perfetto esempio di questo comportamento fondamentale del materiale in azione ed è una delle applicazioni più riconoscibili della conduttività elettrica.

In contrasto, i materiali isolanti sono quelli in cui questo effetto è ridotto di 10 ^-20 ordini di grandezza. Effettivamente, gli elettroni possono difficilmente muoversi nei materiali isolanti. Poiché questi materiali non consentono (di solito) agli elettroni di muoversi, alcune delle loro applicazioni più basilari sono per proteggere e dirigere i conduttori elettrici. Pensa al rivestimento protettivo attorno a un cavo di alimentazione.

Gli elettroni sono ancora di fondamentale importanza per i materiali isolanti, ma gioca un ruolo diverso. Prima di essere spinto da una forza elettrica, gli elettroni sono fortemente legati a certi atomi, dando origine a "cationi" con carica positiva e "anioni" con carica negativa. Quando viene spinto usando forze elettriche (come le tensioni), i cationi e gli anioni possono muoversi leggermente. L'immagine sopra è un'illustrazione esagerata di questi movimenti molto piccoli.

La distanza tra questi cationi e gli anioni è piccola per cominciare, misurando vicino a 10 ^-10 metri, o inferiore alla scala nanometrica. E i cambiamenti nelle loro posizioni durante le tensioni applicate sono persino più piccoli che piccoli - misurando 10 ^-15 a 10 ^-17 metri! Eppure quei piccoli spostamenti sono essenziali per una serie di applicazioni ad alta tecnologia, dai sistemi microelettromeccanici (MEMS) al controllo ad alta precisione di specchi per sistemi ottici e satellitari.

Una delle sfide nella nostra comunità di ricerca è come misurare qualcosa di così incredibilmente piccolo. Il microscopio ottico è limitato alla risoluzione di elementi come le cellule biologiche, troppo grandi per risolvere atomi e piccoli movimenti di atomi. Sto guidando un team di ricercatori della NC State che usa raggi X ad alta energia per misurare questi effetti. La lunghezza d'onda di questi raggi X, nell'ordine di 10 ^-10 metri, può essere utilizzato per misurare le distanze quasi infinitesimali tra gli atomi. E attrezzature specializzate e un'analisi approfondita dei segnali misurati possono attualmente rivelare cambiamenti nel movimento atomico fino a quasi 10 ^-16 metri. Ciò significa che misuriamo alcuni di questi importanti effetti atomici.

Una volta che il mio team ha capito come i diversi cationi e anioni si muovono sotto le forze elettriche, la comunità di ricerca può utilizzare tali informazioni per progettare dispositivi migliori per lo stoccaggio e la conversione dell'energia, come condensatori, attuatori, e piezoelettrici. Possiamo finalmente partire dal basso e progettare questi materiali isolanti partendo dal livello atomico. Attualmente, sta emergendo anche un multi-investigatore, centro multiuniversitario di ricerca su questi materiali presso NC State, il Centro per Dielettrici e Piezoelettrici, quindi la tempistica di queste misurazioni sarà utile per una serie di progetti di ricerca correlati.