We bestuderen de beweging van ongelooflijk kleine dingen. Hoe klein is klein? Denk kleiner dan 'nano'. Denk kleiner dan atomen zelf. We meten de oneindig kleine verschuivingen in de posities van atomen naar elektrische krachten. Klein meten is een uitdaging, maar lonend. Door dingen zo klein te meten, we ontgrendelen verborgen geheimen die een groot aantal verschillende elektronische apparaten zullen bevorderen.

Hoe en waarom? Laten we beginnen met de basis.

De meeste mensen weten dat metalen goed zijn in het geleiden van elektriciteit. Dat betekent dat elektronen grote afstanden kunnen afleggen door de meeste metalen. Het elektriciteitsnet is een perfect voorbeeld van dit fundamentele materiaalgedrag in actie en is een van de meest herkenbare toepassingen van elektrische geleidbaarheid.

In tegenstelling tot, isolatiematerialen zijn die waarbij dit effect met 10 . wordt verminderd ^-20 ordes van grootte. Effectief, elektronen kunnen in isolatiematerialen nauwelijks bewegen. Aangezien deze materialen (meestal) elektronen niet laten bewegen, enkele van hun meest elementaire toepassingen zijn het beschermen en leiden van elektrische geleiders. Denk aan de beschermende coating rond een netsnoer.

Elektronen zijn nog steeds van fundamenteel belang voor isolatiematerialen, maar een andere rol spelen. Voordat ze door een elektrische kracht worden geduwd, elektronen zijn sterk gebonden aan bepaalde atomen, waardoor positief geladen "kationen" en negatief geladen "anionen" ontstaan. Wanneer geduwd met behulp van elektrische krachten (zoals spanningen), de kationen en anionen kunnen een klein beetje bewegen. De afbeelding hierboven is een overdreven illustratie van deze zeer kleine bewegingen.

De afstand tussen deze kationen en anionen is om te beginnen klein - ongeveer 10 ^-10 meter, of kleiner dan de nanometerschaal. En de veranderingen in hun posities tijdens aangelegde spanningen zijn zelfs kleiner dan klein - ze meten 10 ^-15 tot 10 ^-17 meter! Toch zijn die kleine verplaatsingen essentieel voor een aantal hoogtechnologische toepassingen, van micro-elektromechanische (MEMS) systemen tot zeer nauwkeurige besturing van spiegels voor optica en satellietsystemen.

Een van de uitdagingen in onze onderzoeksgemeenschap is hoe we zoiets ongelooflijk kleins kunnen meten. De optische microscoop is beperkt tot het oplossen van kenmerken zoals biologische cellen - veel te groot voor het oplossen van atomen en kleine atoombewegingen. Ik leid een team van onderzoekers bij NC State dat hoogenergetische röntgenstralen gebruikt om deze effecten te meten. De golflengte van deze röntgenstralen, in de orde van 10 ^-10 meter, kan worden gebruikt om de bijna oneindig kleine afstanden tussen atomen te meten. En gespecialiseerde apparatuur en grondige analyse van gemeten signalen kunnen momenteel veranderingen in atomaire beweging onthullen tot bijna 10 ^-16 meter. Dit betekent dat we enkele van deze belangrijke atomaire effecten meten.

Als mijn team eenmaal begrijpt hoe de verschillende kationen en anionen onder elektrische krachten bewegen, de onderzoeksgemeenschap kan die informatie gebruiken om betere apparaten voor energieopslag en -conversie te ontwerpen, zoals condensatoren, actuatoren, en piëzo-elektriciteit. We kunnen eindelijk van onderaf beginnen en deze isolatiematerialen ontwerpen vanaf atomair niveau. momenteel, er is ook een multi-onderzoeker in opkomst, multi-universitair centrum voor onderzoek naar deze materialen bij NC State, het Centrum voor diëlektrica en piëzo-elektriciteit, dus de timing van deze metingen zal nuttig zijn voor een aantal gerelateerde onderzoeksprojecten.