Met de tik van je vinger, je tablet komt tot leven - dankzij kleine krachtsensoren en versnellingsmeters die piëzo-elektrische materialen bevatten.

Deze materialen wekken elektriciteit op wanneer er mechanische druk op wordt uitgeoefend, en ze hebben mede vorm gegeven aan de manier waarop we tegenwoordig technologie gebruiken en ermee omgaan. Piëzo-elektrische apparaten zijn overal te vinden, van consumentenelektronica zoals draagbare fitnesstrackers en slimme kleding, tot medische apparaten en motoren.

Nu hebben onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) een nieuwe benadering ontwikkeld voor het bestuderen van piëzo-elektrische materialen met behulp van ultrasnelle 3D-röntgenbeeldvorming en computermodellering. Hun geïntegreerde aanpak, gemeld in Nano-letters , kan ons helpen materiaalgedrag beter te begrijpen en krachtigere en energie-efficiëntere technologieën te ontwikkelen.

"Onze aanpak onthult een schat aan informatie over de onderliggende mechanismen die de overdracht van energie in dergelijke materialen reguleren, en hoe stabiel deze materialen zijn onder extreme omstandigheden, " zei Argonne computationeel wetenschapper en co-auteur Subramanian Sankaranarayanan.

"Met behulp van experimentele gegevens, we maken geïnformeerde modellen die op hun beurt voorspellingen doen op ruimte- en tijdschalen die experimenten niet kunnen bereiken, " zei Mathew Cherukara, de hoofdauteur van de studie.

De onderzoekers pasten hun nieuwe benadering toe op de studie van zinkoxide, een materiaal dat elektriciteit kan opwekken wanneer het wordt gedraaid, verbogen of op andere manieren vervormd. Met zijn gewenste piëzo-elektrische en halfgeleidende eigenschappen, zinkoxide is naar voren gekomen als een veelbelovend materiaal voor het opwekken van elektriciteit in kleinschalige apparaten.

In hun experimentele benadering bekend als ultrasnelle coherente röntgenbeeldvorming, onderzoekers namen een nanokristal van zinkoxide en stelden het bloot aan intense, korte röntgen- en optische laserpulsen bij Argonne's Advanced Photon Source, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. De ultrasnelle laserpulsen prikkelden het kristal, en de röntgenpulsen beeldden de kristalstructuur af terwijl deze in de loop van de tijd veranderde. Hierdoor konden onderzoekers zeer kleine veranderingen in het materiaal vastleggen met een hoge resolutie in zowel tijd als ruimte.

"In tegenstelling tot een optische microscoop, waardoor je een object kunt zien, maar niet kunt zien wat er binnenin gebeurt, Röntgencoherent diffractieve beeldvorming laat ons in materialen kijken terwijl ze buigen, draaien en vervormen, volledig 3D, "Zei Argonne-natuurkundige en co-auteur Ross Harder. Dit is de eerste keer dat zo'n tijdsopgeloste studie is uitgevoerd bij een synchrotronbron.

Onderzoekers identificeerden de vervormingsmodi - wat betekent nieuwe manieren waarop het materiaal kan buigen, twist, draaien, enz. – van deze experimentele benadering, en gebruikte dit inzicht om een ​​model te bouwen dat het gedrag van het nanokristal zou beschrijven.

"Door theorie en modellering te integreren met experimenten, we geven een completer beeld van het materiaalgedrag, "Zei Argonne, postdoctoraal onderzoeker en hoofdauteur van de theorie, Kiran Sasikumar. "Modelvorming biedt extra inzicht in het probleem - inzichten die experimenten alleen niet kunnen onderzoeken."

Met dit model, onderzoekers ontdekten extra draaiende modi die 50 procent meer elektriciteit kunnen genereren dan de buigmodi van het kristal.

"Nu kunnen we deze informatie gebruiken om apparaten te maken die deze draaiende modi misbruiken, "Zei Cherukara. "Dit aanvullende inzicht dat door de theorie wordt gegenereerd, laat zien hoe experimenten en theorie ons samen in staat kunnen stellen om nauwkeurigere en bruikbare voorspellingen te doen."

Het combineren van modellering en experimentele benaderingen kan onderzoekers ook helpen verschillende andere materiële systemen en processen te verkennen, zoals corrosie en warmtebeheer over thermische apparaten. Dergelijk werk zal ook worden gevorderd met de upgrade van de Advanced Photon Source, die de flux van de hoogenergetische coherente röntgenstralen van de faciliteit met honderdvijftig keer zal verhogen, aldus de onderzoekers.

"Met deze upgrade we zullen coherente beeldvormingstechnieken kunnen toepassen op een bredere klasse van materialen, met minder data-acquisitietijd en een nog hogere ruimtelijke resolutie, " zei de natuurkundige en co-auteur Haidan Wen van Argonne.

De studie, getiteld "Ultrasnelle driedimensionale röntgenbeeldvorming van vervormingsmodi in ZnO-nanokristallen" werd gepubliceerd in Nano-letters .