Du bout du doigt, votre tablette prend vie grâce à de minuscules capteurs de force et des accéléromètres contenant des matériaux piézoélectriques.

Ces matériaux génèrent de l'électricité chaque fois qu'une pression mécanique leur est appliquée, et ils ont contribué à façonner la façon dont nous utilisons et interagissons avec la technologie aujourd'hui. On trouve des appareils piézoélectriques partout, de l'électronique grand public comme les trackers de fitness portables et les vêtements intelligents, aux dispositifs médicaux et aux moteurs.

Aujourd'hui, des chercheurs du laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) ont développé une nouvelle approche pour étudier les matériaux piézoélectriques en utilisant l'imagerie par rayons X 3D ultrarapide et la modélisation informatique. Leur approche intégrée, signalé dans Lettres nano , peut nous aider à mieux comprendre le comportement des matériaux et à concevoir des technologies plus puissantes et économes en énergie.

"Notre approche révèle une mine d'informations sur les mécanismes sous-jacents qui régulent le transfert d'énergie dans de tels matériaux, ainsi que la stabilité de ces matériaux dans des conditions extrêmes, " a déclaré le scientifique informaticien d'Argonne et co-auteur Subramanian Sankaranarayanan.

« En utilisant des données expérimentales, nous créons des modèles informés qui à leur tour font des prédictions à des échelles d'espace et de temps que les expériences ne peuvent atteindre, " dit Mathew Cherukara, l'auteur principal de l'étude.

Les chercheurs ont appliqué leur nouvelle approche à l'étude de l'oxyde de zinc, un matériau qui peut générer de l'électricité lorsqu'il est tordu, plié ou déformé d'une autre manière. Avec ses propriétés piézoélectriques et semi-conductrices souhaitables, l'oxyde de zinc est devenu un matériau prometteur pour la production d'électricité dans des appareils à petite échelle.

Dans leur approche expérimentale, connue sous le nom d'imagerie cohérente à rayons X ultrarapide, les chercheurs ont pris un nanocristal d'oxyde de zinc et l'ont exposé à Rayons X courts et impulsions laser optiques à la source avancée de photons d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science. Les impulsions laser ultrarapides ont excité le cristal, et les impulsions de rayons X ont imagé la structure cristalline au fur et à mesure qu'elle changeait au fil du temps. Cela a permis aux chercheurs de capturer de très petits changements dans le matériau à haute résolution dans le temps et dans l'espace.

"Contrairement à un microscope optique, qui permet de voir un objet mais ne permet pas de voir ce qui se passe à l'intérieur, L'imagerie diffractive cohérente aux rayons X nous permet de voir à l'intérieur des matériaux lorsqu'ils se plient, torsion et déformation, en full 3-D, " a déclaré Ross Harder, physicien et co-auteur d'Argonne. C'est la première fois qu'une telle étude résolue en temps est réalisée à une source synchrotron.

Les chercheurs ont identifié les modes de déformation - c'est-à-dire de nouvelles façons dont le matériau pourrait se plier, tourner, tourner, etc. – de cette approche expérimentale, et a utilisé cette idée pour construire un modèle qui décrirait le comportement du nanocristal.

"En intégrant la théorie et la modélisation à l'expérimentation, nous fournissons une image plus complète du comportement du matériau, ", a déclaré Kiran Sasikumar, chercheur postdoctoral et auteur principal de la théorie à Argonne. "La modélisation fournit des informations supplémentaires sur le problème - des informations que les expériences seules ne peuvent pas sonder."

Avec ce modèle, les chercheurs ont découvert des modes de torsion supplémentaires qui peuvent générer 50 % plus d'électricité que les modes de flexion du cristal.

"Maintenant, nous pouvons utiliser ces informations pour créer des appareils qui exploitent ces modes de torsion, " Cherukara a déclaré. "Cette information supplémentaire générée par la théorie démontre comment l'expérimentation et la théorie peuvent nous permettre de faire des prédictions plus précises et utiles."

La combinaison d'approches de modélisation et expérimentales peut également aider les chercheurs à explorer divers autres systèmes et processus matériels, tels que la corrosion et la gestion de la chaleur dans les dispositifs thermiques. Ce travail sera également avancé avec la mise à niveau de la source avancée de photons, qui multipliera par cent cinquante le flux des faisceaux de rayons X cohérents de haute énergie de l'installation, les chercheurs ont dit.

"Avec cette mise à niveau, nous pourrons appliquer des techniques d'imagerie cohérentes à une classe plus large de matériaux, avec moins de temps d'acquisition de données et une résolution spatiale encore plus élevée, " a déclaré le physicien d'Argonne et co-auteur Haidan Wen.

L'étude, intitulé "Ultrafast Three-Dimensional X-ray Imaging of Deformation Modes in ZnO Nanocrystals" a été publié dans Lettres nano .