Mindre end lille:Hvorfor vi måler rummet mellem atomer

Vi studerer bevægelsen af ​​utroligt små ting. Hvor lille er lille? Tænk mindre end "nano." Tænk mindre end atomerne selv. Vi måler de uendeligt små skift i atomernes positioner til elektriske kræfter. At måle småt er udfordrende, men givende. Ved at måle så små ting, vi låser op for skjulte hemmeligheder, der vil fremme et væld af forskellige elektroniske enheder.

Hvordan og hvorfor? Lad os starte med det grundlæggende.

De fleste ved, at metaller er gode til at lede strøm. Det betyder, at elektroner kan bevæge sig lange afstande gennem de fleste metaller. Det elektriske elnet er et perfekt eksempel på denne grundlæggende materielle adfærd i aktion og er en af ​​de mest genkendelige anvendelser af elektrisk ledningsevne.

I modsætning, isoleringsmaterialer er dem, hvor denne effekt er reduceret med 10 ^-20 størrelsesordener. Effektivt, elektroner kan næsten ikke bevæge sig i isoleringsmaterialer. Da disse materialer (normalt) ikke tillader elektroner at bevæge sig, nogle af deres mest basale applikationer er at beskytte og dirigere elektriske ledere. Tænk på den beskyttende belægning omkring en strømledning.

Elektroner er stadig fundamentalt vigtige for isoleringsmaterialer, men spiller en anden rolle. Før de bliver skubbet af en elektrisk kraft, elektroner er stærkt bundet til visse atomer, giver anledning til positivt ladede "kationer" og negativt ladede "anioner". Når der skubbes ved hjælp af elektriske kræfter (som spændinger), kationerne og anionerne kan bevæge sig lidt. Billedet ovenfor er en overdrevet illustration af disse meget små bevægelser.

Afstanden mellem disse kationer og anioner er lille til at begynde med - måler tæt på 10 ^-10 meter, eller mindre end nanometerskalaen. Og ændringerne i deres positioner under påførte spændinger er endnu mindre end små - måler 10 ^-15 til 10 ^-17 meter! Alligevel er disse små forskydninger afgørende for en række højteknologiske applikationer, fra mikroelektromekaniske (MEMS) systemer til højpræcisionsstyring af spejle til optik og satellitsystemer.

En af udfordringerne i vores forskningsmiljø er, hvordan man kan måle noget så utroligt småt. Det optiske mikroskop er begrænset til at opløse funktioner som biologiske celler - alt for store til at opløse atomer og små atombevægelser. Jeg leder et team af forskere ved NC State, der bruger højenergi røntgenstråler til at måle disse effekter. Bølgelængden af ​​disse røntgenstråler, i størrelsesordenen 10 ^-10 meter, kan bruges til at måle de næsten uendelige afstande mellem atomer. Og specialiseret udstyr og grundig analyse af målte signaler kan i øjeblikket afsløre ændringer i atombevægelse ned til næsten 10 ^-16 meter. Det betyder, at vi måler nogle af disse vigtige atomare effekter.

Når mit hold forstår, hvordan de forskellige kationer og anioner bevæger sig under elektriske kræfter, forskningssamfundet kan bruge disse oplysninger til at designe bedre energilagrings- og konverteringsenheder, såsom kondensatorer, aktuatorer, og piezoelektrik. Vi kan endelig begynde nedefra og designe disse isoleringsmaterialer begyndende på atomniveau. I øjeblikket, der er også ved at dukke op en multi-efterforsker, multi-universitetscenter for forskning i disse materialer i NC State, Center for Dielektrik og Piezoelektrik, så timingen af ​​disse målinger vil være nyttig for en række relaterede forskningsprojekter.