p Com o toque de seu dedo, seu tablet ganha vida - graças a minúsculos sensores de força e acelerômetros que contêm materiais piezoelétricos. p Esses materiais geram eletricidade sempre que pressão mecânica é aplicada a eles, e eles ajudaram a moldar como usamos e interagimos com a tecnologia hoje. Dispositivos piezoelétricos podem ser encontrados em todos os lugares, desde produtos eletrônicos de consumo, como rastreadores de fitness vestíveis e roupas inteligentes, para dispositivos médicos e motores.

p Agora, os pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) desenvolveram uma nova abordagem para estudar materiais piezoelétricos usando imagens de raios-X 3-D ultrarrápidas e modelagem por computador. Sua abordagem integrada, relatado em Nano Letras , pode nos ajudar a entender melhor o comportamento dos materiais e a desenvolver tecnologias mais poderosas e eficientes em termos de energia.

p "Nossa abordagem revela uma riqueza de informações sobre os mecanismos subjacentes que regulam a transferência de energia em tais materiais, bem como a estabilidade desses materiais sob condições extremas, "disse o cientista computacional Argonne e co-autor Subramanian Sankaranarayanan.

p "Usando dados experimentais, fazemos modelos informados que, por sua vez, fazem previsões em escalas de espaço e tempo que os experimentos não podem alcançar, "disse Mathew Cherukara, o principal autor do estudo.

p Os pesquisadores aplicaram sua nova abordagem ao estudo do óxido de zinco, um material que pode gerar eletricidade quando torcido, dobrado ou deformado de outras maneiras. Com suas desejáveis ​​propriedades piezoelétricas e semicondutoras, o óxido de zinco surgiu como um material promissor para a geração de eletricidade em dispositivos de pequena escala.

p Em sua abordagem experimental, conhecido como imagem coerente de raios-X ultrarrápida, pesquisadores pegaram um nanocristal de óxido de zinco e o expuseram a raios-X curtos e pulsos ópticos de laser na fonte avançada de fótons de Argonne, um DOE Office of Science User Facility. Os pulsos de laser ultrarrápidos excitaram o cristal, e os pulsos de raios-X representaram a estrutura do cristal conforme ela mudou com o tempo. Isso permitiu que os pesquisadores capturassem mudanças muito pequenas no material em alta resolução no tempo e no espaço.

p "Ao contrário de um microscópio óptico, que permite que você veja um objeto, mas não permite que você veja o que está acontecendo dentro dele, A imagem difrativa coerente de raios-X nos permite ver o interior dos materiais conforme eles se dobram, torcendo e deformando, em 3D completo, "disse o físico e co-autor de Argonne Ross Harder. Esta é a primeira vez que um estudo resolvido no tempo foi realizado em uma fonte síncrotron.

p Os pesquisadores identificaram os modos de deformação - o que significa novas maneiras em que o material pode dobrar, torção, girar, etc. - a partir desta abordagem experimental, e usou esse insight para construir um modelo que descreveria o comportamento do nanocristal.

p "Integrando teoria e modelagem com experimentos, estamos fornecendo uma imagem mais completa do comportamento do material, "disse o pesquisador de pós-doutorado de Argonne e principal autor da teoria, Kiran Sasikumar." A modelagem fornece uma visão adicional sobre o problema - percepções que os experimentos por si só não podem sondar. "

p Com este modelo, os pesquisadores descobriram modos de torção adicionais que podem gerar 50% mais eletricidade do que os modos de torção do cristal.

p "Agora podemos usar essas informações para criar dispositivos que exploram esses modos de torção, "Cherukara disse." Este insight adicional gerado a partir da teoria demonstra como a experimentação e a teoria juntas podem nos permitir fazer previsões mais precisas e úteis. "

p Combinar modelagem e abordagens experimentais também pode ajudar os pesquisadores a explorar vários outros sistemas e processos materiais, como corrosão e gerenciamento de calor em dispositivos térmicos. Esse trabalho também será avançado com a atualização da Fonte Avançada de Fótons, que aumentará o fluxo dos feixes de raios-X coerentes de alta energia da instalação em cento e cinquenta vezes, disseram os pesquisadores.

p "Com esta atualização, poderemos aplicar técnicas de imagem coerentes a uma classe mais ampla de materiais, com menos tempo de aquisição de dados e resolução espacial ainda maior, "disse o físico e co-autor de Argonne Haidan Wen.

p O estudo, intitulado "Ultrafast Tridimensional X-ray Imaging of Deformation Modes in ZnO Nanocrystals" foi publicado em Nano Letras .