Нова «камера» бачить крізь динамічний безлад атомів

Прискорення затвора камери в трильйон разів дає дослідникам змогу зрозуміти, як матеріали проводять тепло, і є важливим кроком у розвитку сталого використання енергії.

Дослідники приходять до розуміння того, що найкращі матеріали для сталої енергетики, такої як перетворення сонячного світла або відпрацьованого тепла в електрику, часто використовують колективні коливання кластерів атомів у набагато більшій структурі. Цей процес зазвичай називають «динамічним безладом». 

Розуміння динамічного безладу в матеріалах може призвести до більш енергоефективних термоелектричних пристроїв, таких як твердотільні холодильники та теплові насоси, а також до кращого відновлення корисної енергії з відпрацьованого тепла, наприклад, від автомобілів і електростанцій, шляхом безпосереднього перетворення до електрики. Термоелектричний пристрій зміг взяти тепло від радіоактивного плутонію та перетворити його на електрику для живлення марсохода, коли не вистачало сонячного світла.

Коли матеріали функціонують всередині робочого пристрою, вони можуть поводитися так, ніби вони живі й танцюють — частини матеріалу реагують і змінюються дивовижним і несподіваним чином. Цей динамічний безлад важко досліджувати, оскільки кластери не тільки такі малі та невпорядковані, але й зазнають флуктуацій у часі. Крім того, існує «нудний» нефлуктуаційний безлад у матеріалах, який дослідників не цікавить, оскільки розлад не покращує властивості. Досі було неможливо побачити відповідний динамічний безлад на фоні менш актуального статичного безладу.

Дослідники з Columbia Engineering та Université de Bourgogne повідомляють, що вони розробили новий тип «камери», яка може бачити локальний безлад. Його ключовою особливістю є змінна швидкість затвора: оскільки невпорядковані атомні кластери рухаються, то коли команда використовувала повільний затвор, динамічний безлад розмивався, але коли вони використовували швидкий затвор, вони могли його бачити. Новий метод, який вони називають PDF (функція розподілу атомних пар) зі змінною витримкою або vsPDF (variable shutter PDF), не працює як звичайна камера – він використовує нейтрони з джерела в Окріджській національній лабораторії (ORNL) Міністерства енергетики США, щоб визначити положення атомів за допомогою витримки близько однієї пікосекунди, або в трильйон разів швидше, ніж звичайні затвори камери.

 «Тільки за допомогою цього нового інструменту vsPDF ми можемо по-справжньому побачити матеріал з іншого боку, — сказав Саймон Біллінге (Simon Billinge), професор матеріалознавства, прикладної фізики та прикладної математики. - Це дає нам абсолютно новий спосіб розкрити складність того, що відбувається в складних матеріалах, приховані ефекти, які можуть посилити їхні властивості. За допомогою цієї техніки ми зможемо спостерігати за матеріалом і бачити, які атоми танцюють, а які відсиджуються».

Інструмент vsPDF дозволив дослідникам виявити порушення атомної симетрії в GeTe, важливому матеріалі для термоелектрики, який перетворює відпрацьоване тепло в електрику (або електрику в охолодження). Раніше вони не могли побачити зміщення або показати динамічні флуктуації та швидкість коливань. В результаті аналізу даних vsPDF команда розробила нову теорію, яка показує, як такі локальні флуктуації можуть формуватися в GeTe та пов’язаних з ним матеріалах. Таке розуміння механіки танцю допоможе дослідникам шукати нові матеріали з цими ефектами та застосовувати зовнішні сили для впливу на ефект, створюючи ще кращі матеріали.

Зараз Біллінге працює над тим, щоб зробити свою техніку простішою у використанні для дослідницького співтовариства, та застосувати її до інших систем із динамічним безладом. На даний момент ця техніка не є готовою, але з подальшим розвитком вона повинна стати набагато більш стандартним вимірюванням, яке можна використовувати в багатьох матеріальних системах, де важлива атомна динаміка, від спостереження за рухом літію в електродах акумулятора до вивчення динамічних процесів при розщепленні води сонячним світлом. 

При тривалій витримці атомна структура GeTE виглядає впорядкованою, але розмитою. Більш швидкі експозиції виявляють чітку заплутану картину динамічних зміщень

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365