Revolucionaria ‘cámara’ con una velocidad de obturación de 1 billonésima de segundo revela el mundo oculto de la dinámica atómica

A velocidades de obturación lentas, la estructura atómica de GeTE parece ordenada pero borrosa. Las exposiciones más rápidas revelan un patrón claro y complejo de transiciones dinámicas. Crédito: Jill Hemman/ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.

Acelerar el obturador de la cámara un millón de veces permite a los investigadores comprender cómo los materiales mueven el calor y es un paso importante en el avance de las aplicaciones de energía sostenible.

Los investigadores están empezando a darse cuenta de 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 las fluctuaciones colectivas de los cúmulos atómicos en una estructura mucho más grande. Este proceso a menudo se denomina “interferencia dinámica”.

Perturbación dinámica

Comprender el desorden dinámico de los materiales podría conducir a dispositivos termoeléctricos más eficientes desde el punto de vista energético, como refrigeradores de semiconductores y bombas de calor, y también a una mejor recuperación de la energía útil del calor residual, como los gases de escape de los automóviles y de las centrales eléctricas, al convertirlo directamente en electricidad. Un dispositivo termoeléctrico podría tomar el calor del plutonio radiactivo y convertirlo en electricidad[{” 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.

Revelando estructuras atómicas con la cámara de “neutrones”. Crédito: Laboratorio Nacional de Oak Ridge

La nueva “cámara” tiene un tiempo de exposición increíblemente rápido de aproximadamente 1 picosegundo.

Investigadores de Columbia Engineering y la Université de Bourgogne informan que han desarrollado un nuevo tipo de “cámara” que puede ver una perturbación local. Su característica clave es la velocidad de obturación variable: debido a que las matrices desordenadas de átomos se mueven, el desorden dinámico se oscureció cuando el equipo usó un obturador lento, pero cuando usaron un obturador rápido, pudieron verlo. El nuevo método, al que llaman PDF de cierre variable o vsPDF (para la función de distribución de pares atómicos), no funciona como una cámara normal: utiliza neutrones de una fuente en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía de EE. UU. para medir . posiciones atómicas con una velocidad de obturación de aproximadamente un picosegundo, o un millón de millones (billones) de veces más rápido que los obturadores de cámara estándar. El estudio fue publicado en la revista el 20 de febrero de 2023. Materiales naturales.

“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 descubrir la complejidad de los materiales complejos, los efectos ocultos que pueden aumentar sus propiedades. Con esta técnica, podemos mirar un material y ver qué átomos están bailando y cuáles lo están sembrando”.

Una nueva teoría para igualar las fluctuaciones locales y convertir el calor residual en electricidad

La herramienta vsPDF ayudó a los investigadores a encontrar simetrías atómicas en GeTe fragmentado, un importante material termoeléctrico que convierte el calor residual en electricidad (o refrigeración eléctrica). Anteriormente, no habían podido ver transiciones ni mostrar variaciones dinámicas y qué tan rápido variaban. Como resultado de los conocimientos de VsPDF, el equipo desarrolló una nueva teoría que muestra cómo se pueden formar tales variaciones locales en GeTe y materiales relacionados. Tal comprensión mecanicista de la danza ayuda a los investigadores a encontrar nuevos materiales con estos efectos y utilizar fuerzas externas para influir en el efecto, lo que conduce a materiales aún mejores.

Grupo de investigacion

Billinge dirigió este trabajo junto con Simon Kimber, quien estaba en la Universidad de Bourgogne en Francia en el momento del estudio. Billinge y Kimber trabajaron con colegas en ORNL y Argonne National Laboratory (ANL), que también fueron financiados por el DOE. Las mediciones de dispersión de neutrones inelásticos de 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 accesible para la comunidad investigadora y aplicarla a otros sistemas con desorden dinámico. Actualmente, la tecnología 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 movimiento del litio en los electrodos de la batería hasta estudiar la dinámica. Procesos durante la división del agua bajo la influencia de la luz solar.

Referencia: Simon AJ Kimber, Jiayong Zhang, Charles H. Liang, Gian G. Guzmán-Verri, Peter B. Littlewood, Yongqiang Cheng, Douglas L. Abernathy, Jessica M. Hudspeth: “La cristalografía dinámica revela anisotropía espontánea en GeTe cúbico” Zhong – Zhen Luo, Mercouri G. Kanatzidis, Tapan Chatterji, Anibal J. Ramirez-Cuesta y Simon JL Billinge, 20 de febrero de 2023, Materiales naturales.
DOI: 10.1038/s41563-023-01483-7

Autores: Simon AJ Kimber, Batiment Sciences Mirande; Jiayong Zhang, Laboratorio Nacional de Oak Ridge; Charles 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).