Nowy „aparat” z czasem otwarcia migawki wynoszącym 1 bilionową część sekundy widzi dynamiczne turbulencje atomów

Naukowcy doszli do wniosku, że materiały o najlepszych parametrach w zastosowaniach związanych z energią odnawialną, takich jak przekształcanie światła słonecznego lub ciepła odpadowego w energię elektryczną, często wykorzystują zbiorowe fluktuacje grup atomów w znacznie większej strukturze. Proces ten jest często określany jako „turbulencja dynamiczna”.

zaburzenie dynamiczne

Zrozumienie dynamicznych turbulencji w materiałach może prowadzić do bardziej energooszczędnych urządzeń termoelektrycznych, takich jak półprzewodnikowe lodówki i pompy ciepła, a także do lepszego odzyskiwania użytecznej energii z ciepła odpadowego, takiego jak spaliny samochodowe i spaliny z elektrowni, poprzez bezpośrednie przetwarzanie w elektryczność. Urządzenie termoelektryczne było w stanie odbierać ciepło z radioaktywnego plutonu i przekształcać je w energię elektryczną, aby zasilać marsjański łazik, gdy nie było wystarczającej ilości światła słonecznego.

Kiedy materiały poruszają się wewnątrz urządzenia odtwarzającego, mogą zachowywać się tak, jakby były żywe i tańczą — kawałki materii reagują i zmieniają się w zdumiewający i nieoczekiwany sposób. Ta dynamiczna turbulencja jest trudna do zbadania, ponieważ gromady są nie tylko bardzo małe i nieuporządkowane, ale także ulegają fluktuacjom w czasie. Ponadto w materiałach występuje nieulotne „nudne” zaburzenie, które badaczy nie interesuje, ponieważ zaburzenie to nie poprawia właściwości. Do tej pory nie było możliwe dostrzeżenie istotnego zaburzenia dynamicznego na tle mniej istotnego zaburzenia statycznego.

Nowy „aparat” ma ultraszybki czas otwarcia migawki wynoszący około 1 pikosekundę

Naukowcy z Columbia Engineering i University of Bourgogne donoszą, że opracowali nowy typ „kamery”, która może obserwować lokalne turbulencje. Jego główną zaletą jest zmienna prędkość migawki: ponieważ nieuporządkowane skupiska atomów poruszają się, kiedy zespół użył wolnej migawki, dynamiczna turbulencja nie była widoczna, ale kiedy użyli szybkiej migawki, mogli ją zobaczyć. Nowa metoda, którą nazywają PDF lub vsPDF (dla funkcji rozkładu par atomowych), nie działa jak konwencjonalna kamera — wykorzystuje neutrony ze źródła w Oak Ridge National Laboratory (ORNL) Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych do pomiaru pozycji atomów przy czasie otwarcia migawki około pikosekundy, czyli milion (biliard) razy krótszym niż zwykłe migawki aparatu. Badanie zostało opublikowane 20 lutego 2023 r. przez materiały natury.

„Tylko dzięki temu nowemu narzędziu vsPDF możemy naprawdę zobaczyć ten aspekt materiałów” — powiedział Simon Pilling, profesor materiałoznawstwa oraz fizyki stosowanej i matematyki stosowanej. „Daje nam zupełnie nowy sposób na rozwikłanie zawiłości tego, co dzieje się w złożonych materiałach, oraz subtelnych wpływów, które mogą poprawić ich właściwości. Dzięki tej technice będziemy mogli obserwować materiał i zobaczyć, które atomy są w tańcu i którzy siedzą na zewnątrz”.

Nowa teoria stabilizowania lokalnych wahań i przekształcania ciepła odpadowego w energię elektryczną

Narzędzie vsPDF umożliwiło naukowcom znalezienie łamania symetrii atomowych w GeTe, ważnym materiale termoelektrycznym, który przekształca ciepło odpadowe w energię elektryczną (lub energię elektryczną w chłodzenie). Wcześniej nie byli w stanie zobaczyć przemieszczeń ani pokazać dynamicznych fluktuacji i tego, jak szybko się zmieniają. W wyniku spostrzeżeń z vsPDF zespół opracował nową teorię, która pokazuje, w jaki sposób takie lokalne fluktuacje mogą powstawać w GeTe i pokrewnych materiałach. To mechanistyczne rozumienie tańca pomoże naukowcom szukać nowych materiałów z tymi efektami i zastosować siły zewnętrzne, aby wpłynąć na efekt, prowadząc do lepszych materiałów.

Zespół badawczy

Belling współprowadził tę pracę z Simonem Kemperem, który w czasie badania był na Uniwersytecie Bourgogne we Francji. Pilling i Kemper współpracowali z kolegami z ORNL i Argonne National Laboratory (ANL), również finansowanych przez Departament Energii. Pomiary nieelastycznego rozpraszania neutronów kamerą vsPDF przeprowadzono w ORNL; Teorię robiono w ANL.

następne kroki

Billinge pracuje teraz nad tym, aby jego metoda była łatwiejsza dla społeczności badawczej w użyciu i zastosowaniu do innych dynamicznie nieuporządkowanych systemów. Obecnie technologia ta nie jest jeszcze gotowa do użycia, ale wraz z dalszym rozwojem powinna stać się znacznie bardziej standardową metryką, którą będzie można stosować w wielu systemach materiałowych, w których istotna jest dynamika atomowa, od obserwowania ruchu litu w elektrodach baterii po badanie dynamiki procesy podczas Split wody ze światłem słonecznym.

Badanie nosi tytuł „Dynamiczna krystalografia ujawnia spontaniczną anizotropię w sześciennym GeTe”.