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 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 más exitosos en las 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 llama “trastorno dinámico”.
Trastorno dinámico
Comprender el desorden dinámico en los materiales podría 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 el escape de los automóviles y el escape de las centrales eléctricas, convirtiéndolo directamente a la electricidad Un dispositivo termoeléctrico fue capaz de tomar el calor del plutonio radiactivo y convertirlo en electricidad para alimentar el[{” 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.
Revela 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 Universidad de Borgoña informan que han desarrollado un nuevo tipo de “cámara” que puede ver el desorden local. Su característica principal es una velocidad de obturación variable: a medida que se mueven los cúmulos atómicos desordenados, cuando el equipo usó un obturador lento, el desorden dinámico se desvaneció, pero cuando usaron un obturador rápido, pudieron verlo. El nuevo método, al que llaman PDF de obturador variable o vsPDF (por Función de distribución de pares atómicos), no funciona como una cámara convencional: utiliza neutrones de una fuente en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía de EE. UU. para medir posiciones atómicas con una velocidad de obturación de aproximadamente un picosegundo, que es un millón de millones (un billón) de veces más rápido que los obturadores de cámaras normales. El estudio fue publicado el 20 de febrero de 2023 en la revista 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, 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 potenciar sus propiedades. Con esta técnica, podremos observar un material y ver qué átomos están en el baile y cuáles están ausentes.
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). Anteriormente, no habían podido ver los desplazamientos ni mostrar las fluctuaciones dinámicas y la rapidez con que fluctúan. Como resultado de los conocimientos de vsPDF, el equipo desarrolló una nueva teoría que muestra cómo se pueden formar tales fluctuaciones locales en GeTe y materiales relacionados. Tal 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.
el equipo de investigación
Billlinge codirigió este trabajo con Simon Kimber, quien estaba en la Universidad de Borgoña en Francia en el momento del estudio. Billinge y Kimber trabajaron con colegas en ORNL y Argonne National Laboratory (ANL), también financiados 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.
Próximas etapas
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 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. proceso 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, Materiales naturales.
DOI: 10.1038/s41563-023-01483-7
Autores: Simon AJ Kimber, Building 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).
