Con el toque de tu dedo, su tableta cobra vida gracias a diminutos sensores de fuerza y ​​acelerómetros que contienen materiales piezoeléctricos.

Estos materiales generan electricidad siempre que se les aplica presión mecánica, y han ayudado a dar forma a la forma en que usamos e interactuamos con la tecnología en la actualidad. Los dispositivos piezoeléctricos se pueden encontrar en todas partes, de la electrónica de consumo, como los rastreadores de actividad física portátiles y la ropa inteligente, a dispositivos médicos y motores.

Ahora, los investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han desarrollado un nuevo enfoque para estudiar materiales piezoeléctricos mediante el uso de imágenes de rayos X ultrarrápidas en 3D y modelado por computadora. Su enfoque integrado, reportado en Nano letras , puede ayudarnos a comprender mejor el comportamiento de los materiales y a diseñar tecnologías más potentes y energéticamente eficientes.

"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 de Argonne y coautor Subramanian Sankaranarayanan.

"Utilizando datos experimentales, Hacemos modelos informados que, a su vez, hacen predicciones en escalas espaciales y temporales que los experimentos no pueden alcanzar. "dijo Mathew Cherukara, el autor principal del estudio.

Los investigadores aplicaron su nuevo enfoque al estudio del óxido de zinc, un material que puede generar electricidad cuando se retuerce, doblada o deformada de otras formas. Con sus deseables propiedades piezoeléctricas y semiconductoras, El óxido de zinc se ha convertido en un material prometedor para generar electricidad en dispositivos de pequeña escala.

En su enfoque experimental, conocido como imágenes coherentes de rayos X ultrarrápidos, Los investigadores tomaron un nanocristal de óxido de zinc y lo expusieron a pulsos cortos de rayos X y láser óptico en la fuente de fotones avanzada de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Los pulsos de láser ultrarrápidos excitaron el cristal, y los pulsos de rayos X tomaron imágenes de la estructura cristalina a medida que cambiaba con el tiempo. Esto permitió a los investigadores capturar cambios muy pequeños en el material a alta resolución tanto en el tiempo como en el espacio.

"A diferencia de un microscopio óptico, que le permite ver un objeto pero no le permite ver lo que sucede dentro de él, Las imágenes difractivas coherentes de rayos X nos permiten ver el interior de los materiales a medida que se doblan, retorciéndose y deformando, en 3-D completo, ", dijo el físico y coautor de Argonne Ross Harder. Esta es la primera vez que se realiza un estudio de resolución temporal de este tipo en una fuente de sincrotrón.

Los investigadores identificaron los modos de deformación, es decir, nuevas formas en las que el material podría doblarse, giro, girar, etc. - de este enfoque experimental, y usó esta información para construir un modelo que describiría el comportamiento del nanocristal.

"Al integrar la teoría y el modelado con experimentos, proporcionamos 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 información adicional sobre el problema, información que los experimentos por sí solos no pueden 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 torsión del cristal.

"Ahora podemos usar esta información para crear dispositivos que aprovechen estos modos de torsión, Cherukara dijo:"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 enfoques experimentales y de modelado también puede ayudar a los investigadores a explorar varios otros sistemas y procesos de materiales, como la corrosión y la gestión del calor a través de dispositivos térmicos. Este trabajo también avanzará con la actualización de la fuente de fotones avanzada, que aumentará el flujo 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 y una resolución espacial aún mayor, ", 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 .