A velocidades de obturación lentas, la estructura atómica de GeTE parece ordenada pero borrosa. Las exposiciones más rápidas revelan un patrón claro e intrincado de desplazamientos dinámicos. Crédito: Jill Hemman/ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.
Acelerar el obturador de una cámara un millón de millones 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 comenzando a comprender que los materiales que funcionan mejor en aplicaciones de energía sostenible, como convertir la luz solar o el calor residual en electricidad, a menudo utilizan fluctuaciones colectivas de grupos de átomos dentro de una estructura mucho más grande. Este proceso a menudo se denomina «trastorno dinámico».
perturbación dinámica
Comprender el desorden dinámico en los materiales puede conducir a dispositivos termoeléctricos más eficientes desde el punto de vista energético, como refrigeradores de estado sólido y bombas de calor, y también a una mejor recuperación de la energía útil del calor residual, como los escapes de automóviles y estaciones. a la electricidad Un dispositivo termoeléctrico pudo extraer calor del plutonio radiactivo y convertirlo en electricidad para alimentar el Mars Rover cuando no había suficiente luz solar.
Cuando los materiales funcionan dentro de un dispositivo operativo, pueden comportarse como si estuvieran vivos y bailando: partes del material responden y cambian de formas sorprendentes e inesperadas. Este desorden dinámico es difícil de estudiar porque los cúmulos no solo son muy pequeños y desordenados, sino que también fluctúan en el tiempo. Además, existe una perturbación no fluctuante «molesta» en los materiales en los que los investigadores no están interesados porque la perturbación no mejora las propiedades. Hasta ahora, ha sido imposible ver la perturbación dinámica relevante contra el fondo de la perturbación estática menos relevante.
Revelando estructuras atómicas con una cámara “Neutron”. Crédito: Laboratorio Nacional de Oak Ridge
La nueva «cámara» tiene una velocidad de obturación increíblemente rápida de alrededor de 1 picosegundo.
Investigadores de Columbia Engineering y la Université de Bourgogne informan que han desarrollado un nuevo tipo de «cámara» que puede ver el desorden local. Su característica principal es una velocidad de obturación variable: debido a que los grupos atómicos desordenados se están moviendo, cuando el equipo usó un obturador lento, el desorden dinámico fue borroso, pero cuando usaron un obturador rápido pudieron verlo. El nuevo método, al que llaman PDF de obturador variable o vsPDF (para la función de distribución de pares atómicos), no funciona como una cámara convencional: utiliza neutrones de una fuente en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía. mida las posiciones atómicas con una velocidad de obturación de aproximadamente un picosegundo, o un millón de millones (un billón) de veces más rápido que los obturadores de las cámaras normales. El estudio fue publicado el 20 de febrero de 2023 en la revista Nature Materials.
«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 desentrañar las complejidades de lo que sucede en los materiales complejos, los efectos ocultos que pueden abrumar sus propiedades. Con esta técnica, podremos mirar un material y ver qué átomos están bailando y cuáles están parados”.
Nueva teoría sobre la estabilización de las fluctuaciones locales y la conversión del calor residual en electricidad
La herramienta vsPDF permitió a los investigadores encontrar simetrías atómicas rotas en GeTe, un material importante para la termoelectricidad que convierte el calor residual en electricidad (o la electricidad en refrigeración). No habían podido ver los desplazamientos antes, o mostrar las fluctuaciones dinámicas y qué tan rápido fluctuaron. Como resultado de los conocimientos de vsPDF, el equipo desarrolló una nueva teoría que muestra cómo se pueden formar estas fluctuaciones locales en GeTe y materiales relacionados. Esta comprensión mecanicista de la danza ayudará a los investigadores a buscar nuevos materiales con estos efectos y aplicar fuerzas externas para influir en el efecto, lo que conducirá a materiales aún mejores.
equipo de investigación
Billlinge codirigió este trabajo con Simon Kimber, que estaba en la Universidad de Borgoña en Francia en el momento del estudio. Billinge y Kimber trabajaron con colegas en ORNL y el Laboratorio Nacional de Argonne (ANL), también financiado por el DOE. Las mediciones de dispersión de neutrones inelásticos para la cámara vsPDF se realizaron en ORNL; la teoría se hizo en la ANL.
Próximos pasos
Billinge ahora está trabajando para hacer que su técnica sea más fácil de usar para la comunidad de investigación y aplicarla a otros sistemas con desorden dinámico. Por el momento, la técnica no está lista para su uso, pero con un mayor desarrollo debería convertirse en una medida mucho más estándar que se pueda usar en muchos sistemas de materiales donde la dinámica atómica es importante, desde observar el litio moviéndose en una batería hasta estudiar los procesos dinámicos durante la separación del agua con la luz solar.
Referencia: «La cristalografía dinámica revela anisotropía espontánea en GeTe cúbico» por Simon AJ Kimber, Jiayong Zhang, Charles H. Liang, Gian G. Guzmán-Verri, Peter B. Littlewood, Yongqiang Cheng, Douglas L. Abernathy, Jessica M. Hudspeth, Zhong-Zhen Luo, Mercouri G. Kanatzidis, Tapan Chatterji, Anibal J. Ramirez-Cuesta y Simon JL Billinge, 20 de febrero de 2023, Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-023-01483-7
Autores: Simon AJ Kimber, Batiment Sciences Mirande; Jiayong Zhang, Laboratorio Nacional de Oak Ridge; Charles H. Liang, Universidad de Chicago; Gian G. Guzman-Verri, Universidad de Costa Rica; Peter B. Littlewood, Universidad de Chicago, Laboratorio Nacional Argonne; Yongqiang Cheng, Laboratorio Nacional de Oak Ridge; Douglas L. Abernathy, Laboratorio Nacional de Oak Ridge; Jessica M. Hudspeth, ESRF, El Sincrotrón Europeo; Zhong-Zhen Luo, Universidad del Noroeste; Mercouri G. Kanatzidis, Universidad del Noroeste; Tapan Chatterji, Instituto Laue-Langevin; Aníbal J. Ramírez-Cuesta, Laboratorio Nacional de Oak Ridge; Simon JL Billinge, Ingeniería de Columbia, Universidad de Columbia, Laboratorio Nacional de Brookhaven.
Financiamiento: SJLB reconoce el apoyo del Departamento de Energía de los EE. UU., Oficina de Ciencias, Oficina de Ciencias Energéticas Básicas, bajo el contrato no. DE-SC0012704. CHL reconoce el apoyo de NSF GRFP DGE-1746045. GGG-V. agradece el apoyo del Vicerrectorado de Investigación de la Universidad de Costa Rica (proyecto nº 816-C1-601). El trabajo en Argonne (PBL) cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias, Oficina de Ciencias Básicas de la Energía, Ciencias de los Materiales e Ingeniería del DOE de EE. UU., bajo el contrato n. DE-AC02-06CH11357. En la Universidad Northwestern (MGK), el trabajo sobre materiales termoeléctricos está financiado principalmente por la Oficina de Ciencias de la Energía Básica del Departamento de Energía de los EE. DE-SC0014520. Este trabajo fue apoyado por el Programa Inversiones para el Futuro, un proyecto ISITE-BFC (contrato no. ANR[1]15-IDEX-0003) (SAJK).
