p Estudamos o movimento de coisas incrivelmente pequenas. Quão pequeno é pequeno? Pense menor do que "nano". Pense menor do que os próprios átomos. Medimos as mudanças infinitesimalmente pequenas nas posições dos átomos em relação às forças elétricas. Medir pequeno é um desafio, mas gratificante. Ao medir coisas tão pequenas, nós desbloquearemos segredos ocultos que farão avançar uma série de dispositivos eletrônicos diferentes. p Como e por quê? Vamos começar com o básico.

p A maioria das pessoas sabe que os metais são bons para conduzir eletricidade. Isso significa que os elétrons podem se mover por longas distâncias na maioria dos metais. A rede de energia elétrica é um exemplo perfeito desse comportamento fundamental do material em ação e é uma das aplicações mais reconhecidas da condutividade elétrica.

p Em contraste, materiais isolantes são aqueles em que este efeito é reduzido em 10 ^-20 ordens de magnitude. Efetivamente, elétrons dificilmente podem se mover em materiais isolantes. Uma vez que esses materiais (geralmente) não permitem que os elétrons se movam, algumas de suas aplicações mais básicas são para proteger e direcionar condutores elétricos. Pense na camada protetora em torno de um cabo de alimentação.

p Os elétrons ainda são fundamentalmente importantes para os materiais isolantes, mas desempenham um papel diferente. Antes de ser empurrado por uma força elétrica, elétrons estão fortemente ligados a certos átomos, dando origem a "cátions" carregados positivamente e "ânions" carregados negativamente. Quando empurrado usando forças elétricas (como tensões), os cátions e ânions podem se mover levemente. A imagem acima é uma ilustração exagerada desses movimentos muito pequenos.

p A distância entre esses cátions e ânions é pequena para começar - medindo perto de 10 ^-10 metros, ou menor do que a escala nanométrica. E as mudanças em suas posições durante as tensões aplicadas são ainda menores do que pequenas - medindo 10 ^-15 a 10 ^-17 metros! No entanto, esses pequenos deslocamentos são essenciais para uma série de aplicações de alta tecnologia, de sistemas microeletromecânicos (MEMS) ao controle de alta precisão de espelhos para sistemas óticos e de satélite.

p Um dos desafios em nossa comunidade de pesquisa é como medir algo tão incrivelmente pequeno. O microscópio óptico é limitado a recursos de resolução, como células biológicas - muito grandes para resolver átomos e movimentos de átomos pequenos. Estou liderando uma equipe de pesquisadores na NC State que está usando raios X de alta energia para medir esses efeitos. O comprimento de onda desses raios-X, na ordem de 10 ^-10 metros, pode ser usado para medir as distâncias quase infinitesimais entre os átomos. E equipamentos especializados e análises completas dos sinais medidos podem atualmente revelar mudanças no movimento atômico de quase 10 ^-16 metros. Isso significa que medimos alguns desses importantes efeitos atômicos.

p Uma vez que minha equipe entende como os diferentes cátions e ânions se movem sob forças elétricas, a comunidade de pesquisa pode usar essas informações para projetar melhores dispositivos de armazenamento e conversão de energia, como capacitores, atuadores, e piezoelétricos. Podemos finalmente começar de baixo para cima e projetar esses materiais isolantes começando no nível atômico. Atualmente, também está surgindo um multi-investigador, centro multiuniversitário de pesquisa sobre esses materiais na NC State, o Centro de Dielétricos e Piezoelétricos, portanto, o tempo dessas medições será útil para uma série de projetos de pesquisa relacionados.