Pequenos defeitos em materiais de isolamento elétrico podem levar a quebras, roubando a rede elétrica e até mesmo os telefones celulares de confiabilidade e eficiência.

Xiaoli Tan, professor de ciência e engenharia de materiais da Iowa State University, está trabalhando para entender como esses defeitos em nanoescala, quando sujeito a campos elétricos extremos, evoluir para falhas materiais. Essas falhas transformam isoladores, que não conduzem eletricidade, em materiais que permitem o fluxo de alguma corrente.

Essas falhas, chamados de colapsos dielétricos, geralmente resulta em curto-circuitos ou fusíveis queimados.

Essas falhas normalmente acontecem muito abaixo da resistência teórica e capacidade do material isolante. E entao, para proteger sistemas de energia e dispositivos eletrônicos, materiais isolantes estão sujeitos a tensões bem abaixo de sua capacidade teórica ou são feitos mais grossos e pesados.

"Materiais que não podem funcionar de forma confiável em relação a extremos em campos elétricos são um obstáculo crítico para alcançar maior eficiência energética, "Tan escreveu um resumo de seu projeto de pesquisa.

O Programa de Ciências Energéticas Básicas do Departamento de Energia dos EUA está apoiando o estudo de quase três anos com uma bolsa de US $ 675, 000. Centro de Energia de Iowa, Faculdade de Engenharia do Estado de Iowa, o departamento de ciência e engenharia de materiais, o Laboratório Ames do Departamento de Energia e a concessão de dinheiro de vários colegas do estado de Iowa também ajudaram Tan a comprar um $ 140, Porta-000 espécimes para os experimentos.

Joshua Hoemke, um associado de pesquisa de pós-doutorado do estado de Iowa em ciência e engenharia de materiais e um associado do Laboratório Ames, ajudará no projeto. Geoff Brennecka, professor assistente de engenharia metalúrgica e de materiais na Colorado School of Mines em Golden, irá preparar filmes finos de três materiais isolantes a serem testados.

Tan usará uma técnica que ele desenvolveu para microscopia eletrônica de transmissão in situ que é capaz de gravar imagens em resoluções mais rápidas do que 5 milionésimos de segundo e menores do que 1 bilionésimo de um metro. O microscópio está localizado na Instalação de Instrumentos Sensíveis do Laboratório Ames, a oeste do campus.

O instrumento precisa ser muito sensível porque acredita-se que as falhas elétricas que Tan está estudando começam com defeitos em nanoescala em materiais isolantes, defeitos de apenas bilionésimos de um metro de diâmetro. As avarias também acontecem em microssegundos, apenas milionésimos de segundo.

E entao, "ninguém jamais viu diretamente essas avarias, "Tan disse.

Até cinco ou 10 anos atrás, Tan disse que os instrumentos científicos não eram rápidos ou sensíveis o suficiente para detectar essas falhas.

Os experimentos irão registrar como filmes finos (eles têm menos de 100 bilionésimos de um metro de espessura) de três materiais isolantes do laboratório de Brennecka no Colorado (dióxido de titânio, titanato de zirconato de chumbo e óxido de zircônio de chumbo) se decompõem quando submetidos a pulsos elétricos de até 110 volts.

Após cada pulso, a nanoestrutura do material de teste, simetria e química serão analisadas, Disse Tan. Isso permitirá que os pesquisadores vejam e registrem a evolução da decomposição do material.

O experimento também incluirá testes e possível validação de um mecanismo de endurecimento para óxido de chumbo-zircônio.

O objetivo final de todos os testes é encontrar os elos que faltam entre os defeitos em nanoescala e a falha precoce de materiais de isolamento elétrico, Disse Tan. Isso pode levar à próxima geração, materiais transformacionais capazes de atuar até seus limites teóricos. E isso poderia ajudar a produzir sistemas de energia melhores e menores, dispositivos mais leves para todos nós.