• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Röntgenbilder och datormodellering hjälper till att kartlägga elektriska egenskaper hos nanomaterial

    Forskarna integrerade röntgenbilder med datormodellering och simulering för att karakterisera zinkoxid-nanopartiklar, som har attraktiva elektriska egenskaper för användning inom teknik. Visa ovan från vänster till höger är medförfattare Mathew Cherukara, Ross Harder, Haidan Wen och Kiran Sasikumar. Upphovsman:Mark Lopez/Argonne National Laboratory

    Med ett tryck med fingret, din surfplatta kommer till liv - tack vare små kraftsensorer och accelerometrar som innehåller piezoelektriska material.

    Dessa material genererar elektricitet när mekaniskt tryck appliceras på dem, och de har hjälpt till att forma hur vi använder och interagerar med teknik idag. Piezoelektriska enheter finns överallt, från konsumentelektronik som bärbara fitness trackers och smarta kläder, till medicintekniska produkter och motorer.

    Nu har forskare vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory utvecklat ett nytt tillvägagångssätt för att studera piezoelektriska material genom att använda ultrasnabb 3D-röntgenbildning och datormodellering. Deras integrerade tillvägagångssätt, rapporterade i Nano bokstäver , kan hjälpa oss att bättre förstå materialbeteende och konstruera kraftfullare och energieffektivare teknik.

    "Vår strategi visar en mängd information om de underliggande mekanismerna som reglerar överföring av energi i sådana material, liksom hur stabila dessa material är under extrema förhållanden, "sade Argonne beräkningsvetare och medförfattare Subramanian Sankaranarayanan.

    "Med hjälp av experimentella data, vi gör informerade modeller som i sin tur gör förutsägelser i rymd- och tidsskalor som experiment inte kan nå, "sa Mathew Cherukara, huvudförfattaren till studien.

    Forskarna tillämpade sitt nya tillvägagångssätt för att studera zinkoxid, ett material som kan generera elektricitet när det vrids, böjda eller deformerade på andra sätt. Med sina önskvärda piezoelektriska och halvledande egenskaper, zinkoxid har framträtt som ett lovande material för elproduktion i småskaliga enheter.

    I deras experimentella tillvägagångssätt, känd som ultrasnabb röntgen koherent avbildning, forskare tog en nanokristall av zinkoxid och utsatte den för intensiv, korta röntgen- och optiska laserpulser vid Argonnes Advanced Photon Source, en DOE Office of Science User Facility. De supersnabba laserpulserna upphetsade kristallen, och röntgenpulserna avbildade kristallstrukturen när den förändrades med tiden. Detta gjorde det möjligt för forskare att fånga mycket små förändringar i materialet med en hög upplösning i både tid och rum.

    En simulering av beteendet hos en zinkoxid -nanokristall när den upphetsas av ultrasnabba lasrar. Simuleringen illustrerar över tiden hur kristallen deformeras (böjer, vändningar, veck, etc.) och hur energi transduceras över materialet. Att förstå sådana mekanismer på ultrafina vågar stöder utvecklingen av nya material för att generera kraft i småskaliga enheter. Upphovsman:Argonne National Laboratory

    "Till skillnad från ett optiskt mikroskop, som gör att du kan se ett objekt men inte låter dig se vad som händer inuti det, Röntgen koherent diffraktiv avbildning låter oss se inuti material när de böjer sig, vridning och deformering, i full 3D, "sade Argonne-fysikern och medförfattaren Ross Harder. Detta är första gången en sådan tidsupplöst studie har utförts vid en synkrotronkälla.

    Forskare identifierade deformationslägena - vilket innebär nya sätt på vilka materialet kan böjas, vrida, rotera, etc. - från detta experimentella tillvägagångssätt, och använde denna insikt för att bygga en modell som skulle beskriva nanokristallens beteende.

    "Genom att integrera teori och modellering med experiment, vi ger en mer fullständig bild av det materiella beteendet, "sade Argonne postdoktoral forskare och ledande teoriförfattare Kiran Sasikumar." Modellering ger ytterligare inblick i problemet - insikter som experiment inte ensam kan undersöka. "

    Med denna modell, forskare upptäckte ytterligare vridningslägen som kan generera 50 procent mer el än kristallens böjningslägen.

    "Nu kan vi använda denna information för att skapa enheter som utnyttjar dessa vridningslägen, "Cherukara sa." Denna ytterligare insikt från teorin visar hur experiment och teori tillsammans kan göra det möjligt för oss att göra mer exakta och användbara förutsägelser. "

    Att kombinera modellering och experimentella tillvägagångssätt kan också hjälpa forskare att utforska olika andra materiella system och processer, såsom korrosion och värmehantering över termiska enheter. Sådant arbete kommer också att avanceras med uppgraderingen av Advanced Photon Source, vilket kommer att öka flödet av anläggningens högenergiska koherenta röntgenstrålar med hundra femtio gånger, sa forskarna.

    "Med den här uppgraderingen, vi kommer att kunna tillämpa sammanhängande bildteknik på en bredare klass av material, med mindre datainsamlingstid och ännu högre rumslig upplösning, "sa Argonne-fysikern och medförfattaren Haidan Wen.

    Studien, med titeln "Ultrasnabb tredimensionell röntgenbildning av deformationslägen i ZnO Nanokristaller" publicerades i Nano bokstäver .


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com