Con il tocco del dito, il tuo tablet prende vita, grazie a minuscoli sensori di forza e accelerometri che contengono materiali piezoelettrici.

Questi materiali generano elettricità ogni volta che viene loro applicata una pressione meccanica, e hanno contribuito a modellare il modo in cui utilizziamo e interagiamo con la tecnologia oggi. I dispositivi piezoelettrici si trovano ovunque, dall'elettronica di consumo come i fitness tracker indossabili e l'abbigliamento intelligente, ai dispositivi medici e ai motori.

Ora i ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno sviluppato un nuovo approccio per lo studio dei materiali piezoelettrici utilizzando l'imaging a raggi X 3D ultraveloce e la modellazione al computer. Il loro approccio integrato, segnalato in Nano lettere , può aiutarci a comprendere meglio il comportamento dei materiali e a progettare tecnologie più potenti ed efficienti dal punto di vista energetico.

"Il nostro approccio rivela una ricchezza di informazioni sui meccanismi sottostanti che regolano il trasferimento di energia in tali materiali, così come la stabilità di questi materiali in condizioni estreme, ", ha affermato lo scienziato computazionale Argonne e co-autore Subramanian Sankaranarayanan.

"Utilizzando dati sperimentali, creiamo modelli informati che a loro volta fanno previsioni su scale spaziali e temporali che gli esperimenti non possono raggiungere, " disse Mathew Cherukara, l'autore principale dello studio.

I ricercatori hanno applicato il loro nuovo approccio allo studio dell'ossido di zinco, un materiale che può generare elettricità quando attorcigliato, piegato o deformato in altri modi. Con le sue desiderabili proprietà piezoelettriche e semiconduttive, l'ossido di zinco è emerso come un materiale promettente per la generazione di elettricità in dispositivi su piccola scala.

Nel loro approccio sperimentale, noto come imaging coerente a raggi X ultraveloce, ricercatori hanno preso un nanocristallo di ossido di zinco e lo hanno esposto a un'intensa brevi raggi X e impulsi laser ottici presso l'Advanced Photon Source di Argonne, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. Gli impulsi laser ultraveloci hanno eccitato il cristallo, e gli impulsi a raggi X hanno ripreso la struttura cristallina mentre cambiava nel tempo. Ciò ha permesso ai ricercatori di catturare cambiamenti molto piccoli nel materiale ad alta risoluzione sia nel tempo che nello spazio.

"A differenza di un microscopio ottico, che ti permette di vedere un oggetto ma non ti permette di vedere cosa sta succedendo al suo interno, L'imaging diffrattivo coerente ai raggi X ci consente di vedere all'interno dei materiali mentre si piegano, torcere e deformare, completamente in 3-D, " ha affermato il fisico e coautore di Argonne Ross Harder. Questa è la prima volta che uno studio così risolto nel tempo è stato eseguito su una sorgente di sincrotrone.

I ricercatori hanno identificato le modalità di deformazione, ovvero nuovi modi in cui il materiale potrebbe piegarsi, intrecciare, ruotare, ecc. – da questo approccio sperimentale, e ha usato questa intuizione per costruire un modello che descrivesse il comportamento del nanocristallo.

"Integrando la teoria e la modellazione con gli esperimenti, stiamo fornendo un quadro più completo del comportamento del materiale, " ha affermato Kiran Sasikumar, ricercatore post-dottorato di Argonne e autore principale della teoria. "La modellazione fornisce ulteriori informazioni sul problema, intuizioni che gli esperimenti da soli non possono sondare".

Con questo modello, i ricercatori hanno scoperto ulteriori modalità di torsione che possono generare il 50 percento in più di elettricità rispetto alle modalità di flessione del cristallo.

"Ora possiamo usare queste informazioni per creare dispositivi che sfruttano queste modalità di torsione, " Ha detto Cherukara. "Questa visione aggiuntiva generata dalla teoria dimostra come la sperimentazione e la teoria insieme possono consentirci di fare previsioni più accurate e utili".

La combinazione di modelli e approcci sperimentali può anche aiutare i ricercatori a esplorare vari altri sistemi e processi materiali, come la corrosione e la gestione del calore attraverso i dispositivi termici. Tale lavoro sarà portato avanti anche con l'aggiornamento dell'Advanced Photon Source, che aumenterà il flusso dei raggi X coerenti ad alta energia della struttura di centocinquanta volte, hanno detto i ricercatori.

"Con questo aggiornamento, saremo in grado di applicare tecniche di imaging coerenti a una classe più ampia di materiali, con minor tempo di acquisizione dati e risoluzione spaziale ancora più elevata, ", ha affermato il fisico e co-autore di Argonne Haidan Wen.

Lo studio, intitolato "Ultrafast Three-Dimensional X-ray Imaging of Deformation Modes in ZnO Nanocrystals" è stato pubblicato in Nano lettere .