Con el toque de su dedo, su tableta cobra vida, gracias a pequeños sensores de fuerza y acelerómetros que contienen materiales piezoeléctricos.
Estos materiales generan electricidad cada vez que se les aplica presión mecánica, y han ayudado a dar forma a cómo usamos e interactuamos con la tecnología actual. Los dispositivos piezoeléctricos se pueden encontrar en todas partes, desde productos electrónicos de consumo como rastreadores de fitness portátiles y ropa inteligente, hasta dispositivos médicosy motores.
Ahora los investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. DOE han desarrollado un nuevo enfoque para el estudio de materiales piezoeléctricos mediante el uso de imágenes de rayos X 3-D ultrarrápidas y modelado por computadora. Su enfoque integrado, se informó en Nano letras puede ayudarnos a comprender mejor el comportamiento del material y a diseñar tecnologías más potentes y eficientes energéticamente.
"Al integrar la teoría y el modelado con experimentos, estamos proporcionando una imagen más completa del comportamiento del material"
"Nuestro enfoque revela una gran cantidad de información sobre los mecanismos subyacentes que regulan la transferencia de energía en dichos materiales, así como la estabilidad de estos materiales en condiciones extremas", dijo el científico computacional y coautor de Argonne, Subramanian Sankaranarayanan.
"Utilizando datos experimentales, creamos modelos informados que a su vez hacen predicciones a escala espacial y temporal que los experimentos no pueden alcanzar", dijo Mathew Cherukara, autor principal del estudio.
Los investigadores aplicaron su nuevo enfoque al estudio del óxido de zinc, un material que puede generar electricidad cuando se tuerce, dobla o deforma de otras maneras. Con sus deseables propiedades piezoeléctricas y semiconductoras, el óxido de zinc se ha convertido en un material prometedor para generar electricidad.en dispositivos a pequeña escala.
En su enfoque experimental, conocido como imagen coherente de rayos X ultrarrápida, los investigadores tomaron un nanocristal de óxido de zinc y lo expusieron a rayos de rayos X intensos y pulsos de láser óptico en la fuente avanzada de fotones de Argonne, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia de DOELos pulsos láser ultrarrápidos excitaron el cristal, y los pulsos de rayos X capturaron imágenes de la estructura del cristal a medida que cambiaba con el tiempo. Esto permitió a los investigadores capturar cambios muy pequeños en el material a alta resolución tanto en tiempo como en espacio.
"A diferencia de un microscopio óptico, que le permite ver un objeto pero no le permite ver lo que sucede dentro de él, la imagen difractiva coherente de rayos X nos permite ver los materiales internos a medida que se doblan, tuercen y deforman,en 3-D completo ", dijo el físico y coautor de Argonne, Ross Harder. Esta es la primera vez que un estudio con resolución temporal se realiza en una fuente de sincrotrón.
Los investigadores identificaron los modos de deformación, es decir, nuevas formas en que el material podría doblarse, torcerse, rotar, etc., a partir de este enfoque experimental, y utilizaron esta información para construir un modelo que describiera el comportamiento del nanocristal.
"Al integrar la teoría y el modelado con los experimentos, estamos proporcionando una imagen más completa del comportamiento del material", dijo el investigador postdoctoral de Argonne y autor principal de la teoría, Kiran Sasikumar. "El modelado proporciona una visión adicional del problema: ideas que solo experimentan los experimentosno puede sondear "
Con este modelo, los investigadores descubrieron modos de torsión adicionales que pueden generar un 50 por ciento más de electricidad que los modos de flexión del cristal.
"Ahora podemos usar esta información para crear dispositivos que exploten estos modos de torsión", dijo Cherukara. "Esta información adicional generada a partir de la teoría demuestra cómo la experimentación y la teoría juntas pueden permitirnos hacer predicciones más precisas y útiles".
La combinación de modelos y enfoques experimentales también puede ayudar a los investigadores a explorar otros sistemas y procesos de materiales, como la gestión de la corrosión y el calor a través de dispositivos térmicos. Dicho trabajo también se avanzará con la actualización de la Fuente avanzada de fotones, que aumentará el flujo delos rayos de rayos X coherentes de alta energía de la instalación en ciento cincuenta veces, dijeron los investigadores.
"Con esta actualización, podremos aplicar técnicas de imagen coherentes a una clase más amplia de materiales, con menos tiempo de adquisición de datos e incluso mayor resolución espacial", dijo el físico y coautor de Argonne, Haidan Wen.
El estudio, titulado "Imágenes de rayos X tridimensionales ultrarrápidas de modos de deformación en nanocristales de ZnO" se publicó en Nano letras .
Este trabajo fue respaldado por el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por el Laboratorio de Argonne. El tiempo de la computadora fue otorgado a través del programa Innovador y Novedoso Impacto Computacional en Teoría y Experimento INCITE apoyado por la Oficina de Ciencia del DOE. El estudio utilizó recursos en Advanced PhotonFuente, el Centro de Materiales a Nanoescala y la Instalación de Computación de Liderazgo Argonne, todas las Instalaciones de Usuario de la Oficina de Ciencia del DOE
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Argonne . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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