De minuscules défauts dans les matériaux isolants électriques peuvent entraîner des pannes, privant le réseau électrique et même les téléphones portables de fiabilité et d'efficacité.

Xiaoli Tan, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Iowa State University, travaille à comprendre comment ces défauts à l'échelle nanométrique, lorsqu'il est soumis à des champs électriques extrêmes, évoluer vers des défaillances matérielles. Ces défaillances deviennent des isolants, qui ne conduisent pas l'électricité, dans des matériaux qui permettent à un certain courant de circuler.

De tels échecs, appelés claquages ​​diélectriques, entraînent généralement des courts-circuits ou des fusibles grillés.

Ces défaillances se produisent généralement bien en deçà de la résistance et de la capacité théoriques du matériau isolant. Et donc, pour protéger les systèmes électriques et les appareils électroniques, les matériaux isolants sont soumis à des tensions bien inférieures à leur capacité théorique ou ils sont rendus plus épais et plus lourds.

« Les matériaux qui ne peuvent pas fonctionner de manière fiable par rapport aux extrêmes dans les champs électriques sont un obstacle essentiel pour atteindre une efficacité énergétique plus élevée, " Tan a écrit dans un résumé de son projet de recherche.

Le programme des sciences de l'énergie de base du département américain de l'Énergie soutient l'étude de près de trois ans avec une subvention de 675 $, 000. Le centre énergétique de l'Iowa, Collège d'ingénierie de l'État de l'Iowa, le département de science et génie des matériaux, le laboratoire Ames du ministère de l'Énergie et des subventions de plusieurs collègues de l'État de l'Iowa ont également aidé Tan à acheter un 140 $, 000 porte-échantillons pour les expériences.

Josué Hoemke, un associé de recherche postdoctoral de l'État de l'Iowa en science et ingénierie des matériaux et un associé du laboratoire Ames, accompagnera le projet. Geoff Brennecka, professeur adjoint de génie métallurgique et des matériaux à la Colorado School of Mines de Golden, préparera des films minces de trois matériaux isolants à tester.

Tan utilisera une technique qu'il a développée pour la microscopie électronique à transmission in situ, capable d'enregistrer des images à des résolutions supérieures à 5 millionièmes de seconde et inférieures à 1 milliardième de mètre. Le microscope est situé dans l'installation d'instruments sensibles du laboratoire Ames à l'ouest du campus.

L'instrument doit être si sensible car les pannes électriques que Tan étudie sont censées commencer par des défauts à l'échelle nanométrique dans les matériaux isolants, défauts d'à peine des milliardièmes de mètre de diamètre. Les pannes se produisent également en microsecondes, juste des millionièmes de seconde.

Et donc, "personne n'a jamais vu directement ces pannes, " dit Tan.

Il y a encore cinq ou dix ans, Tan a déclaré que les instruments scientifiques n'étaient pas assez rapides ou sensibles pour détecter ces pannes.

Les expériences enregistreront à quel point des films minces (ils mesurent moins de 100 milliardièmes de mètre d'épaisseur) de trois matériaux isolants du laboratoire de Brennecka au Colorado (dioxyde de titane, le titanate de zirconate de plomb et l'oxyde de zirconium de plomb) se décomposent lorsqu'ils sont soumis à des impulsions électriques jusqu'à 110 volts.

Après chaque impulsion, la nanostructure du matériau d'essai, la symétrie et la chimie seront analysées, dit Tan. Cela permettra aux chercheurs de voir et d'enregistrer l'évolution de la décomposition du matériau.

L'expérience comprendra également des tests et une éventuelle validation d'un mécanisme de durcissement de l'oxyde de zirconium plomb.

Le but ultime de tous les tests est de trouver les chaînons manquants entre les défauts à l'échelle nanométrique et la défaillance précoce des matériaux isolants électriques, dit Tan. Cela pourrait conduire à la prochaine génération, matériaux de transformation capables de fonctionner jusqu'à leurs limites théoriques. Et cela pourrait aider à produire de meilleurs systèmes électriques et plus petits, des appareils plus légers pour nous tous.