Los investigadores han desarrollado una nueva «cámara» que ve el desorden local en los materiales. Su característica clave es una velocidad de obturación variable: debido a que los cúmulos atómicos desordenados se están moviendo, cuando el equipo usó un obturador lento, el desorden dinámico se desvaneció, pero cuando usaron un obturador rápido, pudieron verlo. El método utiliza neutrones para medir posiciones atómicas con una velocidad de obturación de alrededor de un picosegundo, un billón de veces más rápido que los obturadores de cámaras normales.
Los investigadores están llegando a comprender que los materiales de mejor rendimiento en aplicaciones de energía sostenible, como convertir la luz solar o el calor residual en electricidad, a menudo utilizan fluctuaciones colectivas de grupos de átomos dentro de una estructura mucho más grande. Este proceso a menudo se denomina «trastorno dinámico».
Trastorno dinámico
Comprender el desorden dinámico en los materiales podría conducir a dispositivos termoeléctricos más eficientes desde el punto de vista energético, como refrigeradores de estado sólido y bombas de calor, y también a una mejor recuperación de la energía útil del calor residual, como los escapes de los automóviles y las centrales eléctricas, al convertirlo directamente. a la electricidad Un dispositivo termoeléctrico pudo tomar el calor del plutonio radiactivo y convertirlo en electricidad para alimentar el Mars Rover cuando no había suficiente luz solar.
Cuando los materiales funcionan dentro de un dispositivo operativo, pueden comportarse como si estuvieran vivos y danzando: partes del material responden y cambian de formas asombrosas e inesperadas. Este desorden dinámico es difícil de estudiar porque los grupos no solo son muy pequeños y desordenados, sino que también fluctúan en el tiempo. Además, hay un desorden no fluctuante «aburrido» en los materiales que los investigadores no están interesados porque el desorden no mejora las propiedades. Hasta ahora, ha sido imposible ver el desorden dinámico relevante desde el fondo del desorden estático menos relevante.
La nueva «cámara» tiene una velocidad de obturación increíblemente rápida de alrededor de 1 picosegundo
Investigadores de Columbia Engineering y la Université de Bourgogne informan que han desarrollado un nuevo tipo de «cámara» que puede ver el desorden local. Su característica clave es una velocidad de obturación variable: debido a que los cúmulos atómicos desordenados se están moviendo, cuando el equipo usó un obturador lento, el desorden dinámico se desvaneció, pero cuando usaron un obturador rápido, pudieron verlo. El nuevo método, al que llaman PDF de obturador variable o vsPDF (para la función de distribución de pares atómicos), no funciona como una cámara convencional: utiliza neutrones de una fuente en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía de EE. UU. para medir posiciones atómicas con una velocidad de obturación de alrededor de un picosegundo, o un millón de millones (un billón) de veces más rápido que los obturadores de cámaras normales. El estudio fue publicado el 20 de febrero de 2023 por Materiales de la naturaleza.
«Solo con esta nueva herramienta vsPDF podemos realmente ver este lado de los materiales», dijo Simon Billinge, profesor de ciencia de los materiales y física aplicada y matemáticas aplicadas. «Nos brinda una forma completamente nueva de desentrañar las complejidades de lo que sucede en materiales complejos, efectos ocultos que pueden potenciar sus propiedades. Con esta técnica, podremos observar un material y ver qué átomos están en el baile. y cuáles se están quedando fuera».
Nueva teoría sobre la estabilización de las fluctuaciones locales y la conversión del calor residual en electricidad
La herramienta vsPDF permitió a los investigadores encontrar simetrías atómicas rotas en GeTe, un material importante para la termoelectricidad que convierte el calor residual en electricidad (o la electricidad en refrigeración). Anteriormente, no habían podido ver los desplazamientos ni mostrar las fluctuaciones dinámicas y la rapidez con que fluctúan. Como resultado de los conocimientos de vsPDF, el equipo desarrolló una nueva teoría que muestra cómo se pueden formar tales fluctuaciones locales en GeTe y materiales relacionados. Tal comprensión mecanicista de la danza ayudará a los investigadores a buscar nuevos materiales con estos efectos y aplicar fuerzas externas para influir en el efecto, lo que conducirá a materiales aún mejores.
Equipo de investigación
El codirector de Billlinge en este trabajo con Simon Kimber, que estaba en la Universidad de Bourgogne en Francia en el momento del estudio. Billinge y Kimber trabajaron con colegas en ORNL y el Laboratorio Nacional de Argonne (ANL), también financiado por el DOE. Las mediciones de dispersión de neutrones inelásticos para la cámara vsPDF se realizaron en ORNL; la teoría se hizo en ANL.
Próximos pasos
Billinge ahora está trabajando para hacer que su técnica sea más fácil de usar para la comunidad de investigación y aplicarla a otros sistemas con desorden dinámico. Por el momento, la técnica no es llave en mano, pero con un mayor desarrollo, debería convertirse en una medida mucho más estándar que podría usarse en muchos sistemas de materiales donde la dinámica atómica es importante, desde observar el litio moviéndose en los electrodos de la batería hasta estudiar la dinámica. Procesos durante la división del agua con la luz solar.
