Pequeños defectos en los materiales aislantes eléctricos pueden provocar averías, robando confiabilidad y eficiencia a la red eléctrica e incluso a los teléfonos celulares.

Xiaoli Tan, un profesor de ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad Estatal de Iowa, está trabajando para comprender cómo esos defectos a nanoescala, cuando está sujeto a campos eléctricos extremos, evolucionar hacia fallas materiales. Esas fallas se vuelven aislantes, que no conducen electricidad, en materiales que permiten que fluya algo de corriente.

Tales fracasos, llamadas averías dieléctricas, generalmente resultan en cortocircuitos o fusibles quemados.

Estas fallas suelen ocurrir muy por debajo de la resistencia y capacidad teóricas del material aislante. Y entonces, para proteger sistemas de energía y dispositivos electrónicos, Los materiales aislantes están sujetos a voltajes muy por debajo de su capacidad teórica o se hacen más gruesos y pesados.

"Los materiales que no pueden funcionar de manera confiable con respecto a los extremos en los campos eléctricos son un obstáculo crítico para lograr una mayor eficiencia energética, ", Escribió Tan en un resumen de su proyecto de investigación.

El Programa de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU. Está apoyando el estudio de casi tres años con una subvención de $ 675, 000. El Iowa Energy Center, Facultad de Ingeniería del Estado de Iowa, el departamento de ciencia e ingeniería de materiales, El Laboratorio Ames del Departamento de Energía y el dinero de la subvención de varios colegas del estado de Iowa también ayudaron a Tan a comprar $ 140, 000 portamuestras para los experimentos.

Joshua Hoemke, un asociado de investigación postdoctoral del estado de Iowa en ciencia e ingeniería de materiales y un asociado del Laboratorio Ames, ayudará con el proyecto. Geoff Brennecka, profesor asistente de ingeniería metalúrgica y de materiales en la Escuela de Minas de Colorado en Golden, preparará películas delgadas de tres materiales aislantes a ensayar.

Tan utilizará una técnica que ha desarrollado para microscopía electrónica de transmisión in situ que es capaz de grabar imágenes a resoluciones más rápidas que 5 millonésimas de segundo y menores que 1 mil millonésimas de metro. El microscopio está ubicado en la Instalación de Instrumentos Sensibles del Laboratorio Ames al oeste del campus.

El instrumento debe ser tan sensible porque se cree que las averías eléctricas que Tan está estudiando comienzan con defectos a nanoescala en los materiales aislantes. defectos de apenas mil millonésimas de metro de ancho. Las averías también ocurren en microsegundos, solo una millonésima de segundo.

Y entonces, "nadie ha visto directamente estas averías, "Dijo Tan.

Incluso hace cinco o diez años, Tan dijo que los instrumentos científicos no eran lo suficientemente rápidos o sensibles para detectar estas averías.

Los experimentos registrarán cómo las películas delgadas (tienen menos de 100 mil millonésimas de metro de espesor) de tres materiales aislantes del laboratorio de Brennecka en Colorado (dióxido de titanio, titanato de circonato de plomo y óxido de circonio de plomo) se descomponen cuando se someten a pulsos eléctricos de hasta 110 voltios.

Después de cada pulso, la nanoestructura del material de prueba, se analizará la simetría y la química, Dijo Tan. Eso permitirá a los investigadores ver y registrar la evolución de la descomposición del material.

El experimento también incluirá pruebas y posible validación de un mecanismo de endurecimiento para óxido de circonio y plomo.

El objetivo final de todas las pruebas es encontrar los eslabones perdidos entre los defectos a nanoescala y la falla temprana de los materiales aislantes eléctricos. Dijo Tan. Eso podría llevar a la próxima generación materiales transformacionales capaces de funcionar hasta sus límites teóricos. Y eso podría ayudar a producir mejores sistemas de energía y más pequeños, dispositivos más ligeros para todos nosotros.