Big data-teknik afslører hidtil ukendte muligheder for almindelige materialer

Når forskere og ingeniører opdager nye måder at optimere eksisterende materialer på, det baner vejen for innovationer, der gør alt fra vores telefoner og computere til vores medicinske udstyr mindre, hurtigere, og mere effektiv.

Det viser forskning offentliggjort i dag af Nature Journal NPG Asia materialer , en gruppe forskere - ledet af Edwin Fohtung, en lektor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved Rensselaer Polytechnic Institute - har fundet en ny måde at optimere nikkel på ved at låse op for egenskaber, der kan muliggøre adskillige anvendelser, fra biosensorer til kvanteberegning.

De viste, at når nikkel laves om til ekstremt små, enkeltkrystal nanotråde og udsat for mekanisk energi, der dannes et stort magnetfelt, et fænomen kendt som gigantisk magnetostriktion.

Omvendt, hvis et magnetfelt påføres materialet, så vil atomerne indeni ændre form. Denne forskydning kunne udnyttes til at høste energi. Den egenskab, Fohtung sagde, er nyttig til datalagring og dataindsamling, selv biosensorer. Selvom nikkel er et almindeligt materiale, dets løfte på disse områder var ikke tidligere kendt.

"Forestil dig at bygge et system med store områder af nanotråde. Du kunne sætte det i et eksternt magnetfelt, og det ville høste en meget stor mængde mekanisk energi, men det ville være ekstremt lille, " sagde Fohtung.

Forskerne afslørede denne unikke egenskab gennem en teknik kaldet linseløs mikroskopi, hvor en synkrotron bruges til at indsamle diffraktionsdata. Disse data sættes derefter ind i computeralgoritmer for at producere 3D-billeder af elektronisk tæthed og atomforskydning.

Ved at bruge en big data tilgang, Fohtung sagde, denne teknik kan producere bedre billeder end traditionelle mikroskoper, give forskerne mere information. Den kombinerer beregnings- og eksperimentel fysik med materialevidenskab - et kryds mellem hans mange ekspertiseområder.

"Denne tilgang er i stand til at se ekstremt små genstande og opdage ting, vi aldrig troede eksisterede om disse materialer og deres anvendelser, " sagde Fohtung. "Hvis du bruger linser, der er en grænse for, hvad du kan se. Det bestemmes af størrelsen på dit objektiv, karakteren af ​​din linse, krumningen af ​​din linse. Uden linser, vores opløsning er begrænset af kun bølgelængden af ​​strålingen."

Fohtung brugte denne samme teknik til at vise, at bariumhexaferrit - et universelt og rigeligt materiale, der ofte bruges i bånd, cd'er, og computerkomponenter - har spontan magnetisk og elektrisk polarisering samtidigt, der øges og falder, når de udsættes for et elektrisk felt. Ejendommen, kendt som ferroelektricitet, er nyttig til hurtig skrivning, strømbesparende, og datalagring. Disse resultater blev for nylig offentliggjort i Fysisk gennemgang B .

Fohtung mener, at den linseløse tilgang til at studere stoffer vil give forskere mulighed for at lære endnu mere om faststofmaterialer, som dem, der bruges i teknologiske enheder. Det kan endda muliggøre en dybere forståelse af menneskeligt væv og celler, som kunne ses i et mere naturligt habitat ved hjælp af denne teknik.

"Det, der begejstrer mig så meget ved det, er potentialet for fremtiden. Der er så mange eksisterende materialer, at vi bare ikke er i stand til at forstå de potentielle anvendelser, " sagde Fohtung.