La rivoluzionaria “fotocamera” con una velocità dell’otturatore di 1 trilionesimo di secondo rivela il mondo nascosto della dinamica atomica

Accelerare l’otturatore della fotocamera un milione di volte consente ai ricercatori di capire come i materiali spostano il calore, un passo fondamentale nello sviluppo di applicazioni energetiche sostenibili.

I ricercatori si sono resi conto che i materiali con le migliori prestazioni nelle applicazioni di energia sostenibile, come la conversione della luce solare o del calore disperso in elettricità, spesso fanno uso delle fluttuazioni collettive di gruppi di atomi all’interno di una struttura molto più grande. Questo processo viene spesso definito “turbolenza dinamica”.

disturbo dinamico

Comprendere la turbolenza dinamica nei materiali può portare a dispositivi termoelettrici più efficienti dal punto di vista energetico, come frigoriferi a stato solido e pompe di calore, e anche a un migliore recupero di energia utile dal calore disperso, come lo scarico delle automobili e lo scarico delle centrali elettriche, convertendolo direttamente in elettricità. Era un dispositivo termoelettrico in grado di prendere il calore dal plutonio radioattivo e convertirlo in elettricità per l’alimentazione[{” attribute=””>Mars Rover when there was not enough sunlight.

When materials function inside an operating device, they can behave as if they are alive and dancing–parts of the material respond and change in amazing and unexpected ways. This dynamic disorder is difficult to study because the clusters are not only so small and disordered, but they also fluctuate in time. In addition, there is “boring” non-fluctuating disorder in materials that researchers aren’t interested in because the disorder doesn’t improve properties. Until now, it has been impossible to see the relevant dynamic disorder from the background of less relevant static disorder.

Rivelazione di strutture atomiche con una camera a “neutroni”. Credito: Oak Ridge National Laboratory

La nuova “fotocamera” ha una velocità dell’otturatore ultraveloce di circa 1 picosecondo

I ricercatori della Columbia Engineering e dell’Università della Borgogna riferiscono di aver sviluppato un nuovo tipo di “telecamera” in grado di vedere la turbolenza locale. Il suo principale vantaggio è la velocità variabile dell’otturatore: poiché gli ammassi atomici disordinati si muovono, quando il team ha usato un otturatore lento, la turbolenza dinamica non era evidente, ma quando hanno usato un otturatore veloce, potevano vederla. Il nuovo metodo, che chiamano PDF o vsPDF (per la funzione di distribuzione della coppia atomica), non funziona come una fotocamera convenzionale: utilizza neutroni da una fonte presso l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti per misurare le posizioni atomiche con una velocità dell’otturatore di circa un picosecondo, o un milione (un trilione) di volte più veloce rispetto ai normali otturatori delle fotocamere. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista il 20 febbraio 2023 materiali della natura.

“Solo con questo nuovo strumento vsPDF possiamo davvero vedere questo aspetto dei materiali”, ha affermato Simon Pilling, professore di scienza dei materiali e fisica applicata e matematica applicata. “Ci offre un modo completamente nuovo per districare le complessità di ciò che accade in materiali complessi e le sottili influenze che possono aumentare le loro proprietà. Con questa tecnica, saremo in grado di osservare un materiale e vedere quali atomi sono nella danza e che sono seduti fuori di esso.

Una nuova teoria sulla stabilizzazione delle fluttuazioni locali e sulla conversione del calore residuo in elettricità

Lo strumento vsPDF ha permesso ai ricercatori di scoprire che le simmetrie atomiche vengono rotte in GeTe, un importante materiale termoelettrico che converte il calore disperso in elettricità (o l’elettricità in raffreddamento). In precedenza non erano in grado di vedere gli spostamenti o mostrare le fluttuazioni dinamiche e la velocità con cui fluttuano. Come risultato delle intuizioni di vsPDF, il team ha sviluppato una nuova teoria che mostra come si possono formare tali fluttuazioni locali in GeTe e materiali correlati. Questa comprensione meccanicistica della danza aiuterà i ricercatori a cercare nuovi materiali con questi effetti e ad applicare forze esterne per influenzare l’effetto, portando a materiali migliori.

Gruppo di ricerca

Belling ha co-diretto questo lavoro con Simon Kemper, che era all’Università della Borgogna in Francia al momento dello studio. Pilling e Kemper hanno lavorato con i colleghi dell’ORNL e dell’Argonne National Laboratory (ANL), anch’essi finanziati dal Dipartimento dell’Energia. Le misurazioni di scattering di neutroni anelastici della fotocamera vsPDF sono state eseguite presso ORNL; La teoria è stata fatta all’ANL.

prossimi passi

Billinge sta ora lavorando per rendere il suo metodo più facile da utilizzare per la comunità di ricerca e da applicare ad altri sistemi dinamicamente disordinati. Attualmente, questa tecnologia non è pronta per l’uso, ma con un ulteriore sviluppo dovrebbe diventare una metrica molto più standard che può essere utilizzata in molti sistemi di materiali in cui la dinamica atomica è importante, dall’osservazione del movimento del litio negli elettrodi della batteria allo studio della dinamica di processi durante Spaccare l’acqua con la luce del sole.

Riferimento: “Dynamic Crystallography Reveals Spontaneous Anisotropy in Cubic GeTe” di Simon AJ Kimber, Jiayong Zhang, Charles H. Liang, Gian G. Guzmán-Verri, Peter B. Littlewood, Yongqiang Cheng, Douglas L Abernathy e Jessica M. Hudspeth, Zhong-Zhen Luo, Mercouri G. Kanatzidis, Tapan Chatterji, Anibal J. Ramirez-Cuesta e Simon JL Billinge, 20 febbraio 2023, disponibile qui. materiali della natura.
DOI: 10.1038/s41563-023-01483-7

Autori: Simon AJ Kimber, Batiment Sciences Mirande; Jiaoong Zhang, laboratorio nazionale di Oak Ridge; Carlo H. liang,[{” attribute=””>University of Chicago; Gian G. Guzman-Verri, Universidad de Costa Rica; Peter B. Littlewood, University of Chicago, Argonne National Laboratory; Yongqiang Cheng, Oak Ridge National Laboratory; Douglas L. Abernathy, Oak Ridge National Laboratory; Jessica M. Hudspeth, ESRF, The European Synchrotron; Zhong-Zhen Luo, Northwestern University; Mercouri G. Kanatzidis, Northwestern University; Tapan Chatterji, Institut Laue-Langevin; Anibal J. Ramirez-Cuesta, Oak Ridge National Laboratory; Simon J. L. Billinge, Columbia Engineering, Columbia University, Brookhaven National Laboratory.

Funding: S.J.L.B. acknowledges support from the US DOE, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, under contract no. DE- SC0012704. C.H.L. acknowledges support from NSF GRFP DGE-1746045. G.G.G.-V. acknowledges support from the Vice-Rector for Research at the University of Costa Rica (project no. 816-C1-601). Work at Argonne (P.B.L.) is supported by the US DOE, Ofice of Science, Ofice of Basic Energy Sciences, Materials Sciences and Engineering, under contract no. DE-AC02-06CH11357. At Northwestern University (M.G.K.), work on thermoelectric materials is primarily supported by the US DOE, Ofice of Science, Ofice of Basic Energy Sciences, under award no. DE-SC0014520. This work was supported by the Programme of Investments for the Future, an ISITE-BFC project (contract no. ANR[1]15-IDEX-0003) (Sajk).