Små defekter i elektriska isoleringsmaterial kan leda till haverier, beröva elnätet och till och med mobiltelefoner pålitlighet och effektivitet.

Xiaoli Tan, en Iowa State University professor i materialvetenskap och teknik, arbetar med att förstå hur dessa nanoskaliga defekter, när de utsätts för extrema elektriska fält, utvecklas till materiella misslyckanden. Dessa fel gör isolatorer, som inte leder elektricitet, till material som låter en viss ström flyta.

Sådana misslyckanden, kallas dielektriska nedbrytningar, resulterar vanligtvis i kortslutning eller trasiga säkringar.

Dessa fel inträffar vanligtvis långt under isoleringsmaterialets teoretiska styrka och kapacitet. Och så, för att skydda kraftsystem och elektroniska enheter, isoleringsmaterial utsätts för spänningar långt under sin teoretiska kapacitet eller så görs de tjockare och tyngre.

"Material som inte kan fungera tillförlitligt med avseende på extremer i elektriska fält är en kritisk vägspärr för att uppnå högre energieffektivitet, " skrev Tan i en sammanfattning av sitt forskningsprojekt.

U.S. Department of Energys Basic Energy Sciences Program stöder den nästan treåriga studien med ett anslag på $675, 000. Iowa Energy Center, Iowa State College of Engineering, Institutionen för materialvetenskap och teknik, Department of Energy's Ames Laboratory och bidragspengar från flera Iowa State-kollegor har också hjälpt Tan att köpa en $140, 000 provhållare för experimenten.

Joshua Hoemke, en postdoktoral forskarassistent i Iowa State inom materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och en associerad assistent vid Ames Laboratory, kommer att hjälpa till med projektet. Geoff Brennecka, en biträdande professor i metallurgisk och materialteknik vid Colorado School of Mines i Golden, kommer att förbereda tunna filmer av tre isoleringsmaterial som ska testas.

Tan kommer att använda en teknik som han har utvecklat för in situ transmissionselektronmikroskopi som kan spela in bilder med upplösningar snabbare än 5 miljondelar av en sekund och mindre än 1 miljarddels meter. Mikroskopet är placerat i Ames Laboratory's Sensitive Instrument Facility väster om campus.

Instrumentet måste vara så känsligt eftersom de elektriska haverier som Tan studerar tros börja med nanoskaliga defekter i isoleringsmaterial, defekter bara miljarddels meter i diameter. Sammanbrotten sker också på mikrosekunder, bara miljondelar av en sekund.

Och så, "ingen har någonsin direkt sett dessa sammanbrott, " sa Tan.

Till och med för fem eller tio år sedan, Tan sa att vetenskapliga instrument inte var tillräckligt snabba eller känsliga för att fånga dessa sammanbrott.

Experimenten kommer att registrera hur tunna filmer (de är mindre än 100 miljarddels meter tjocka) av tre isoleringsmaterial från Brenneckas labb i Colorado (titandioxid, blyzirkonattitanat och blyzirkoniumoxid) bryts ner när de utsätts för elektriska pulser upp till 110 volt.

Efter varje puls, testmaterialets nanostruktur, symmetri och kemi kommer att analyseras, sa Tan. Det gör det möjligt för forskarna att se och registrera utvecklingen av materialets sammanbrott.

Experimentet kommer också att omfatta testning och eventuell validering av en härdningsmekanism för blyzirkoniumoxid.

Det slutliga målet med alla tester är att hitta de saknade länkarna mellan nanoskaliga defekter och tidiga fel på elektriska isoleringsmaterial, sa Tan. Det kan leda till nästa generation, transformationsmaterial som kan prestera upp till sina teoretiska gränser. Och det kan hjälpa till att producera bättre kraftsystem och mindre, lättare enheter för oss alla.