Nous étudions le mouvement de choses incroyablement petites. À quel point est-il petit ? Pensez plus petit que "nano". Pensez plus petit que les atomes eux-mêmes. Nous mesurons les changements infiniment petits des positions des atomes par rapport aux forces électriques. Mesurer petit est un défi, mais enrichissant. En mesurant des choses aussi petites, nous déverrouillons des secrets cachés qui feront progresser une multitude d'appareils électroniques différents.

Comment et pourquoi? Commençons par les bases.

La plupart des gens savent que les métaux sont bons pour conduire l'électricité. Cela signifie que les électrons peuvent se déplacer sur de longues distances à travers la plupart des métaux. Le réseau électrique est un parfait exemple de ce comportement fondamental des matériaux en action et est l'une des applications les plus reconnaissables de la conductivité électrique.

En revanche, les matériaux isolants sont ceux dans lesquels cet effet est réduit de 10 ^-20 ordres de grandeur. Effectivement, les électrons peuvent à peine se déplacer dans les matériaux isolants. Étant donné que ces matériaux ne permettent pas (généralement) aux électrons de se déplacer, certaines de leurs applications les plus élémentaires sont de protéger et de diriger les conducteurs électriques. Pensez au revêtement protecteur autour d'un cordon d'alimentation.

Les électrons sont toujours fondamentalement importants pour les matériaux isolants, mais joue un rôle différent. Avant d'être poussé par une force électrique, les électrons sont fortement liés à certains atomes, donnant naissance à des « cations » chargés positivement et à des « anions » chargés négativement. Lorsqu'il est poussé en utilisant des forces électriques (comme des tensions), les cations et les anions peuvent bouger très légèrement. L'image ci-dessus est une illustration exagérée de ces très petits mouvements.

La distance entre ces cations et les anions est petite pour commencer - mesurant près de 10 ^-dix mètres, ou plus petit que l'échelle nanométrique. Et les changements de leurs positions pendant les tensions appliquées sont encore plus petits que petits - mesurant 10 ^-15 à 10 ^-17 mètres ! Pourtant, ces petits déplacements sont essentiels à un certain nombre d'applications de haute technologie, des systèmes microélectromécaniques (MEMS) au contrôle de haute précision des miroirs pour l'optique et les systèmes satellitaires.

L'un des défis de notre communauté de recherche est de savoir comment mesurer quelque chose d'aussi incroyablement petit. Le microscope optique est limité à la résolution de caractéristiques telles que les cellules biologiques – beaucoup trop grandes pour résoudre les atomes et les petits mouvements des atomes. Je dirige une équipe de chercheurs à NC State qui utilise des rayons X à haute énergie pour mesurer ces effets. La longueur d'onde de ces rayons X, de l'ordre de 10 ^-dix mètres, peut être utilisé pour mesurer les distances presque infinitésimales entre les atomes. Et un équipement spécialisé et une analyse approfondie des signaux mesurés peuvent actuellement révéler des changements dans le mouvement atomique jusqu'à près de 10 ^-16 mètres. Cela signifie que nous mesurons certains de ces effets atomiques importants.

Une fois que mon équipe aura compris comment les différents cations et anions se déplacent sous l'effet des forces électriques, la communauté des chercheurs peut utiliser ces informations pour concevoir de meilleurs dispositifs de stockage et de conversion d'énergie, comme les condensateurs, actionneurs, et piézoélectriques. Nous pouvons enfin commencer par le bas et concevoir ces matériaux isolants en commençant au niveau atomique. Présentement, il y a aussi en train d'émerger un multi-investigateur, centre multi-universitaire de recherche sur ces matériaux à NC State, le Centre des Diélectriques et Piézoélectriques, le calendrier de ces mesures sera donc utile à un certain nombre de projets de recherche connexes.