Naukowcy zaczynają rozumieć, 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 klastrów atomów w znacznie większej strukturze. Ten proces jest często określany jako „zaburzenie dynamiczne”.

Zaburzenia dynamiczne

Zrozumienie dynamicznego nieładu materiałów 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 do elektryczności. Urządzenie termoelektryczne było w stanie odbierać ciepło z radioaktywnego plutonu i przekształcać je w energię elektryczną, aby zasilać łazik marsjański, gdy nie było wystarczającej ilości światła słonecznego.

Kiedy materiały funkcjonują wewnątrz działającego urządzenia, mogą zachowywać się tak, jakby były żywe i tańczą — części materiału reagują i zmieniają się w zdumiewający i nieoczekiwany sposób. Ten dynamiczny nieład jest trudny do zbadania, ponieważ klastry są nie tylko tak małe i nieuporządkowane, ale także zmieniają się w czasie. Ponadto w materiałach występuje „nudne” niefluktuujące zaburzenie, które nie interesuje badaczy, ponieważ zaburzenie to nie poprawia właściwości. Do tej pory nie można było zobaczyć odpowiedniego zaburzenia dynamicznego na tle mniej istotnego zaburzenia statycznego.

Nowy „aparat” charakteryzuje się niewiarygodnie szybkim czasem otwarcia migawki wynoszącym około 1 pikosekundy

Naukowcy z Columbia Engineering i Université de Bourgogne donoszą, że opracowali nowy rodzaj „kamery”, która może zobaczyć lokalne zaburzenie. Jego kluczową cechą jest zmienny czas otwarcia migawki: ponieważ nieuporządkowane skupiska atomów się poruszają, kiedy zespół użył wolnej migawki, dynamiczny nieład się rozmył, ale kiedy użyli krótkiej migawki, mogli to zobaczyć. Nowa metoda, którą nazywają zmienną migawką 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 atomowych z czasem otwarcia migawki wynoszącym około jednej pikosekundy, czyli milion milionów (bilionów) 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 tę stronę materiałów” — powiedział Simon Billinge, profesor inżynierii materiałowej oraz fizyki stosowanej i matematyki stosowanej. „Daje nam to zupełnie nowy sposób na rozwikłanie złożoności tego, co dzieje się w złożonych materiałach, ukrytych efektów, które mogą zwiększyć ich właściwości. Dzięki tej technice będziemy mogli oglądać materiał i zobaczyć, które atomy są w tańcu i które przesiadują”.

Nowa teoria stabilizacji lokalnych fluktuacji i konwersji ciepła odpadowego na 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 ich szybkości. W wyniku spostrzeżeń z vsPDF zespół opracował nową teorię, która pokazuje, w jaki sposób takie lokalne fluktuacje mogą powstawać w GeTe i pokrewnych materiałach. Takie mechanistyczne rozumienie tańca pomoże naukowcom szukać nowych materiałów z tymi efektami i zastosować siły zewnętrzne, aby wpłynąć na efekt, prowadząc do jeszcze lepszych materiałów.

Zespół badawczy

Billlinge był współprowadzącym tę pracę z Simonem Kimberem, który w czasie badania był na Uniwersytecie Bourgogne we Francji. Billinge i Kimber współpracowali z kolegami z ORNL i Argonne National Laboratory (ANL), również finansowanych przez DOE. Pomiary nieelastycznego rozpraszania neutronów dla kamery vsPDF wykonano w ORNL; teorię wykonano w ANL.

Następne kroki

Billinge pracuje teraz nad ułatwieniem użycia swojej techniki społeczności naukowej i zastosowaniem jej w innych systemach z dynamicznym zaburzeniem. W tej chwili technika nie jest gotowa, ale wraz z dalszym rozwojem powinna stać się znacznie bardziej standardowym pomiarem, który mógłby być stosowany w wielu systemach materiałowych, w których ważna jest dynamika atomowa, od obserwowania poruszania się litu w elektrodach baterii do badania dynamiki procesy rozszczepiania wody pod wpływem światła słonecznego.

Badanie nosi tytuł „Krystalografia dynamiczna ujawnia spontaniczną anizotropię w sześciennym GeTe”.