Estudiamos el movimiento de cosas increíblemente pequeñas. ¿Qué tan pequeño es pequeño? Piense más pequeño que "nano". Piensa más pequeño que los propios átomos. Medimos los cambios infinitesimalmente pequeños en las posiciones de los átomos a las fuerzas eléctricas. Medir lo pequeño es un desafío, pero gratificante. Midiendo cosas tan pequeñas desbloqueamos secretos ocultos que harán avanzar una gran cantidad de dispositivos electrónicos diferentes.

¿Como y por qué? Empecemos con lo básico.

La mayoría de la gente sabe que los metales son buenos conductores de electricidad. Eso significa que los electrones pueden moverse largas distancias a través de la mayoría de los metales. La red de energía eléctrica es un ejemplo perfecto de este comportamiento material fundamental en acción y es una de las aplicaciones más reconocibles de la conductividad eléctrica.

A diferencia de, Los materiales aislantes son aquellos en los que este efecto se reduce en 10 ^-20 órdenes de magnitud. Efectivamente, los electrones apenas pueden moverse en los materiales aislantes. Dado que estos materiales (generalmente) no permiten que los electrones se muevan, algunas de sus aplicaciones más básicas son proteger y dirigir conductores eléctricos. Piense en la capa protectora alrededor de un cable de alimentación.

Los electrones siguen siendo fundamentalmente importantes para los materiales aislantes, pero juega un papel diferente. Antes de ser empujado por una fuerza eléctrica, los electrones están fuertemente unidos a ciertos átomos, dando lugar a "cationes" cargados positivamente y "aniones" cargados negativamente. Cuando se empuja usando fuerzas eléctricas (como voltajes), los cationes y aniones pueden moverse muy levemente. La imagen de arriba es una ilustración exagerada de estos pequeños movimientos.

La distancia entre estos cationes y aniones es pequeña para empezar, mide cerca de 10 ^-10 metros, o menor que la escala nanométrica. Y los cambios en sus posiciones durante los voltajes aplicados son incluso más pequeños que pequeños:miden 10 ^-15 a 10 ^-17 metros! Sin embargo, esos pequeños desplazamientos son esenciales para una serie de aplicaciones de alta tecnología, desde sistemas microelectromecánicos (MEMS) hasta control de alta precisión de espejos para sistemas ópticos y satélites.

Uno de los desafíos en nuestra comunidad de investigación es cómo medir algo tan increíblemente pequeño. El microscopio óptico se limita a resolver características tales como células biológicas, demasiado grandes para resolver átomos y movimientos de átomos pequeños. Dirijo un equipo de investigadores en NC State que está utilizando rayos X de alta energía para medir estos efectos. La longitud de onda de estos rayos X, en el orden de 10 ^-10 metros, se puede utilizar para medir las distancias casi infinitesimales entre átomos. Y el equipo especializado y el análisis exhaustivo de las señales medidas pueden revelar actualmente cambios en el movimiento atómico hasta casi 10 ^-dieciséis metros. Esto significa que medimos algunos de estos importantes efectos atómicos.

Una vez que mi equipo comprenda cómo los diferentes cationes y aniones se mueven bajo fuerzas eléctricas, la comunidad de investigadores puede utilizar esa información para diseñar mejores dispositivos de conversión y almacenamiento de energía, como condensadores, actuadores, y piezoeléctricos. Finalmente, podemos comenzar de abajo hacia arriba y diseñar estos materiales aislantes comenzando en el nivel atómico. Ahora, también está surgiendo un multi-investigador, centro multiuniversitario de investigación sobre estos materiales en NC State, el Centro de Dieléctricos y Piezoeléctricos, por lo que la sincronización de estas mediciones será útil para una serie de proyectos de investigación relacionados.