När forskare och ingenjörer upptäcker nya sätt att optimera befintliga material, det banar väg för innovationer som gör allt från våra telefoner och datorer till vår medicinska utrustning mindre, snabbare, och effektivare.

Enligt forskning publicerad i dag av Nature Journal NPG Asia Materials , en grupp forskare – ledd av Edwin Fohtung, en docent i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap vid Rensselaer Polytechnic Institute – har hittat ett nytt sätt att optimera nickel genom att låsa upp egenskaper som kan möjliggöra många tillämpningar, från biosensorer till kvantberäkning.

De visade att när nickel görs till extremt små, enkristallinanotrådar och utsatta för mekanisk energi, ett enormt magnetfält alstras, ett fenomen som kallas jättemagnetostriktion.

Omvänt, om ett magnetiskt fält appliceras på materialet, då kommer atomerna inuti att ändra form. Denna förskjutning skulle kunna utnyttjas för att skörda energi. Den egenskapen, Fohtung sa, är användbar för datalagring och datainsamling, även biosensorer. Även om nickel är ett vanligt material, dess löfte inom dessa områden var inte känt tidigare.

"Föreställ dig att bygga ett system med stora ytor av nanotrådar. Du kan lägga det i ett externt magnetfält och det skulle skörda en väldigt stor mängd mekanisk energi, men det skulle vara extremt litet, sa Fohtung.

Forskarna upptäckte denna unika egenskap genom en teknik som kallas linslös mikroskopi, där en synkrotron används för att samla in diffraktionsdata. Dessa data kopplas sedan in i datoralgoritmer för att producera 3D-bilder av elektronisk densitet och atomförskjutning.

Med hjälp av en big data-metod, Fohtung sa, denna teknik kan producera bättre bilder än traditionella mikroskop, ge forskare mer information. Den kombinerar beräknings- och experimentfysik med materialvetenskap - en skärningspunkt mellan hans många expertområden.

"Det här tillvägagångssättet är kapabelt att se extremt små föremål och upptäcka saker vi aldrig trodde fanns om dessa material och deras användningsområden, " sa Fohtung. "Om du använder linser, det finns en gräns för vad du kan se. Det bestäms av storleken på din lins, din lins natur, linsens krökning. Utan linser, vår upplösning är begränsad av bara strålningens våglängd."

Fohtung använde samma teknik för att visa att bariumhexaferrit - ett universellt och rikligt material som ofta används i band, CD skivor, och datorkomponenter - har spontan magnetisk och elektrisk polarisering samtidigt som ökar och minskar när de utsätts för ett elektriskt fält. Egendomen, känd som ferroelektricitet, är användbart för snabbskrivning, energibesparing, och datalagring. Dessa fynd publicerades nyligen i Fysisk granskning B .

Fohtung tror att det linslösa tillvägagångssättet för att studera ämnen kommer att tillåta forskare att lära sig ännu mer om material i fast tillstånd, som de som används i tekniska enheter. Det kan till och med möjliggöra en djupare förståelse av mänsklig vävnad och celler, som skulle kunna ses i en mer naturlig livsmiljö med denna teknik.

"Det som gör mig så upphetsad med det är potentialen för framtiden. Det finns så många befintliga material att vi helt enkelt inte kan förstå de potentiella tillämpningarna, sa Fohtung.