NSF/DMR-BSF: Understanding Electro-Chemo-Mechanical Processes at the Atomic Level

NSF/DMR-BSF:了解原子水平上的电化学机械过程

基本信息

  • 批准号:
    1911592
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 60万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-06-01 至 2024-05-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

NON-TECHNICAL DESCRIPTION: Materials with strong mechanical response to applied electric fields hold great importance for a wide range of vitally important technologies ranging from focusing devices in the cameras of cellular phones to fuel injectors in automobiles. The discovery of the so called "chemical expansion effect" in selected ceramic materials, in which changes in chemical composition may cause the volume change and, hence, large stress, opened a possibility to elicit an electro-chemo-mechanical (ECM) response using electrical current to control chemical composition. The main challenges towards rationally designing new materials with the desired ECM response has been the inability of current materials to operate reasonably fast at room temperature and the lack of atomic-level understanding of their working mechanisms. The investigators are developing a new concept of an ECM material, based on the metal-ceramic nanocrystalline composites, that they had successfully tested for feasibility. To study the underlying principles of how they work, the researchers are using X-ray absorption spectroscopy, a research technique that uses ultrabright X-rays to identify changes in the local atomic environment around metal ions under operating conditions. The project impacts the field of ceramic materials through the development of fundamental understanding and design criteria for this new class of ECM materials. The project fosters international ties between Stony Brook University and Weizmann Institute of Science, Israel. The broader impacts of this project are being realized through connections between faculty and students from both institutions, mentoring of undergraduate and graduate students, and post-doctoral scholars in science and engineering disciplines, dissemination of research results to the peer community, and through exploration of materials for new technologies.TECHNICAL DETAILS: The focus of this project is to develop fundamental understanding of processes taken place in ceramic materials during electro-chemo-mechanical (ECM) actuation, an effect recently proposed for developing new generation of micro- and nano-actuators. The ECM effect is the change in mechanical dimensions of a solid as a result of a change in chemical composition induced by an electric field. To formulate the conditions for practical realization of ECM actuation, the complex relationship between the processes of oxidation/reduction, diffusion, phase transformation and generation of macro- and micro-stresses must be understood. As a platform for such investigation, Anatoly Frenkel (Stony Brook University), his international collaborator Igor Lubomirsky (Weizmann Institute of Science) and their respective groups are studying an oxygen ion transport-based ECM device using metal-ceramic nanocomposites. Atomic-level synchrotron characterization provides insights into the effects of the reduction, oxidation and strain in real-time operating conditions. This project offers research opportunities and training at advanced national research facilities at the post-graduate, graduate, and undergraduate levels. The project impacts the field of ceramic materials due to the development of fundamental understanding and material selection rules for the new class of ceramic-based ECM actuation materials.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
非技术描述:对外加电场具有强机械响应的材料对于从蜂窝电话相机中的聚焦装置到汽车中的燃料喷射器的广泛的至关重要的技术具有非常重要的意义。在选定的陶瓷材料中发现所谓的“化学膨胀效应”,其中化学组成的变化可能导致体积变化,并因此导致大的应力,这开启了使用电流来控制化学组成来引起电化学机械(ECM)响应的可能性。合理设计具有所需ECM响应的新材料的主要挑战是当前材料无法在室温下合理快速地操作,并且缺乏对其工作机制的原子级理解。研究人员正在开发一种基于金属陶瓷纳米晶复合材料的ECM材料的新概念,他们已经成功地测试了可行性。为了研究它们如何工作的基本原理,研究人员正在使用X射线吸收光谱法,这是一种使用超亮X射线来识别操作条件下金属离子周围局部原子环境变化的研究技术。该项目通过对这类新型ECM材料的基本理解和设计标准的发展影响陶瓷材料领域。该项目促进了斯托尼布鲁克大学和以色列魏茨曼科学研究所之间的国际联系。该项目的更广泛影响正在通过两个机构的教师和学生之间的联系,指导本科生和研究生,以及科学和工程学科的博士后学者,向同行社区传播研究成果,以及通过探索新技术的材料来实现。该项目的重点是发展对电化学机械(ECM)致动过程中陶瓷材料中发生的过程的基本理解,这是最近提出的用于开发新一代微和纳米致动器的效果。ECM效应是由于电场引起的化学成分变化而导致的固体机械尺寸的变化。为了制定实际实现ECM驱动的条件,必须理解氧化/还原、扩散、相变和宏观和微观应力的产生的过程之间的复杂关系。作为这种研究的平台,Anatoly Frenkel(斯托尼布鲁克大学),他的国际合作者Igor Lubomirsky(魏茨曼科学研究所)和他们各自的小组正在研究使用金属陶瓷纳米复合材料的基于氧离子传输的ECM设备。原子级同步加速器表征提供了实时操作条件下还原,氧化和应变影响的见解。该项目提供研究机会和培训,在先进的国家研究设施在研究生,研究生和本科生水平。该项目对陶瓷材料领域产生了重大影响,因为该项目对新型陶瓷基ECM驱动材料的基本理解和材料选择规则有所发展。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(12)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Choosing the metal oxide for an electro-chemo-mechanical actuator working body
选择用于电化学机械执行器工作体的金属氧化物
  • DOI:
    10.1016/j.ssi.2022.115913
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    Makagon, Evgeniy;Li, Junying;Li, Yuanyuan;Wachtel, Ellen;Frenkel, Anatoly I.;Lubomirsky, Igor
  • 通讯作者:
    Lubomirsky, Igor
Origin of the anomalous Pb-Br bond dynamics in formamidinium lead bromide perovskites
  • DOI:
    10.1103/physrevb.101.054302
  • 发表时间:
    2020-02
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Harishchandra Singh;R. Fei;Y. Rakita;Michael Kulbak;D. Cahen;A. Rappe;A. Frenkel
  • 通讯作者:
    Harishchandra Singh;R. Fei;Y. Rakita;Michael Kulbak;D. Cahen;A. Rappe;A. Frenkel
Electrical and structural properties of binary Ga–Sb phase change memory alloys
  • DOI:
    10.1063/5.0096022
  • 发表时间:
    2022-07
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    Rubab Ume;H. Gong;V. Tokranov;M. Yakimov;Kevin Brew;G. Cohen;C. Lavoie;S. Schujman;Jing Liu;A. Frenkel;K. Beckmann;N. Cady;S. Oktyabrsky
  • 通讯作者:
    Rubab Ume;H. Gong;V. Tokranov;M. Yakimov;Kevin Brew;G. Cohen;C. Lavoie;S. Schujman;Jing Liu;A. Frenkel;K. Beckmann;N. Cady;S. Oktyabrsky
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    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
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  • 作者:
    Makagon, Evgeniy;Khodorov, Sergey;Frenkel, Anatoly;Chernyak, Leonid;Lubomirsky, Igor
  • 通讯作者:
    Lubomirsky, Igor
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2020-09-09
  • 期刊:
  • 影响因子:
    10.8
  • 作者:
    Ke, Wang;Liu, Yang;Zaera, Francisco
  • 通讯作者:
    Zaera, Francisco
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