Os pesquisadores estão começando a entender que os materiais de melhor desempenho em aplicações de energia sustentável, como a conversão de luz solar ou calor residual em eletricidade, geralmente usam flutuações coletivas de grupos de átomos dentro de uma estrutura muito maior. Esse processo costuma ser chamado de "desordem dinâmica".

A compreensão da desordem dinâmica nos materiais pode levar a dispositivos termoelétricos mais eficientes em termos de energia, como refrigeradores de estado sólido e bombas de calor , e também a uma melhor recuperação de energia útil do calor residual , como escapamentos de carros e escapamentos de estações de energia, convertendo-o diretamente à eletricidade. Um dispositivo termoelétrico foi capaz de extrair calor do plutônio radioativo e convertê-lo em eletricidade para alimentar o Mars Rover quando não havia luz solar suficiente.

Quando os materiais funcionam dentro de um dispositivo operacional, eles podem se comportar como se estivessem vivos e dançando – partes do material respondem e mudam de maneiras surpreendentes e inesperadas. Essa desordem dinâmica é difícil de estudar porque os aglomerados não são apenas tão pequenos e desordenados, mas também flutuam no tempo. Além disso, há um distúrbio não flutuante "chato" em materiais nos quais os pesquisadores não estão interessados ??porque o distúrbio não melhora as propriedades. Até agora, tem sido impossível ver o distúrbio dinâmico relevante do pano de fundo do distúrbio estático menos relevante.

Pesquisadores da Columbia Engineering e da Université de Bourgogne relatam que desenvolveram um novo tipo de "câmera" que pode ver a desordem local. Sua principal característica é uma velocidade de obturador variável: como os aglomerados atômicos desordenados estão se movendo, quando a equipe usou um obturador lento, a desordem dinâmica foi desfocada, mas quando eles usaram um obturador rápido, eles puderam vê-lo. O novo método, que eles chamam de PDF de obturador variável ou vsPDF (para a função de distribuição de pares atômicos), não funciona como uma câmera convencional – ele usa nêutrons de uma fonte no Oak Ridge National Laboratory (ORNL) do Departamento de Energia dos EUA para medir posições atômicas com uma velocidade do obturador de cerca de um picossegundo, ou um milhão de milhões (um trilhão) de vezes mais rápido do que os obturadores normais das câmeras. O estudo foi publicado em 20 de fevereiro de 2023, Nature Materials.

"É apenas com esta nova ferramenta vsPDF que podemos realmente ver este lado dos materiais", disse Simon Billinge, professor de ciência dos materiais e física aplicada e matemática aplicada. "Isso nos dá uma maneira totalmente nova de desvendar as complexidades do que está acontecendo em materiais complexos, efeitos ocultos que podem sobrecarregar suas propriedades. Com essa técnica, poderemos observar um material e ver quais átomos estão na dança e quais estão de fora."

Revelando estruturas atômicas com uma câmera "Neutron". Crédito: Laboratório Nacional de Oak Ridge

A ferramenta vsPDF permitiu que os pesquisadores encontrassem simetrias atômicas sendo quebradas no GeTe, um importante material para termoeletricidade que converte o calor residual em eletricidade (ou eletricidade em resfriamento). Eles não haviam sido capazes de ver os deslocamentos anteriormente, ou mostrar as flutuações dinâmicas e a rapidez com que flutuavam. Como resultado dos insights do vsPDF, a equipe desenvolveu uma nova teoria que mostra como essas flutuações locais podem se formar no GeTe e em materiais relacionados. Essa compreensão mecanicista da dança ajudará os pesquisadores a procurar novos materiais com esses efeitos e a aplicar forças externas para influenciar o efeito, levando a materiais ainda melhores.

A coliderança de Billlinge neste trabalho com Simon Kimber, que estava na Universidade de Bourgogne, na França, na época do estudo. Billinge e Kimber trabalharam com colegas do ORNL e do Argonne National Laboratory (ANL), também financiados pelo DOE. As medições de espalhamento inelástico de nêutrons para a câmera vsPDF foram feitas no ORNL; a teoria foi feita na ANL.

Billinge agora está trabalhando para tornar sua técnica mais fácil de usar para a comunidade de pesquisa e aplicá-la a outros sistemas com desordem dinâmica. No momento, a técnica não é pronta para uso, mas com mais desenvolvimento, ela deve se tornar uma medida muito mais padrão que pode ser usada em muitos sistemas de materiais onde a dinâmica atômica é importante, desde observar o lítio se movendo em eletrodos de bateria até estudar a dinâmica processos durante a separação da água com a luz solar.

O estudo é intitulado "Cristalografia dinâmica revela anisotropia espontânea em GeTe cúbico".