Los investigadores han llegado a comprender 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 grupos de átomos dentro de una estructura mucho más grande. Este proceso a menudo se denomina «turbulencia dinámica».
perturbación dinámica
Comprender la turbulencia dinámica en los materiales puede conducir a dispositivos termoeléctricos más eficientes energéticamente, como refrigeradores de estado sólido y bombas de calor, y también a una mejor recuperación de energía útil del calor residual, como los gases de escape de los automóviles y las plantas de energía, al convertirlo directamente en electricidad. El dispositivo termoeléctrico fue capaz de tomar el calor del plutonio radiactivo y convertirlo en electricidad para alimentar al vehículo marciano cuando no había suficiente luz solar.
Cuando los materiales se ejecutan dentro de un dispositivo de reproducción, pueden actuar como si estuvieran vivos y bailando: fragmentos de materia respondiendo y cambiando de maneras sorprendentes e inesperadas. Esta turbulencia dinámica es difícil de estudiar porque los cúmulos no solo son muy pequeños y desordenados, sino que también fluctúan con el tiempo. Además, existe un trastorno «aburrido» no volátil en los materiales que no interesa a los investigadores porque el trastorno no mejora las propiedades. Hasta ahora, ha sido imposible ver la perturbación dinámica relevante desde el fondo de la perturbación estática menos relevante.
La nueva «cámara» tiene una velocidad de obturación ultrarrápida de aproximadamente 1 picosegundo.
Investigadores de Columbia Engineering y la Universidad de Bourgogne informan que han desarrollado un nuevo tipo de «cámara» que puede ver la turbulencia local. Su principal ventaja es la velocidad de obturación variable: debido a que los cúmulos atómicos desordenados se están moviendo, cuando el equipo usó una obturación lenta, la turbulencia dinámica no fue aparente, pero cuando usaron una obturación rápida, pudieron verla. El nuevo método, al que llaman PDF 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 de EE. UU. para medir las posiciones atómicas. a una velocidad de obturación de alrededor de un picosegundo, o un millón (un billón) de veces más rápido que los obturadores de las cámaras normales. El estudio fue publicado el 20 de febrero de 2023 por materiales de la naturaleza.
«Solo con esta nueva herramienta vsPDF podemos realmente ver este aspecto de los materiales», dijo Simon Pilling, 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 y las influencias ocultas que pueden aumentar sus propiedades. Con esta técnica, podremos observar un material y ver qué átomos están en el bailar y quién está sentado afuera».
Una 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 importante material termoeléctrico que convierte el calor residual en electricidad (o la electricidad en refrigeración). Anteriormente, no podían ver los desplazamientos ni mostrar las fluctuaciones dinámicas y qué tan rápido fluctúan. Como resultado de los conocimientos de vsPDF, el equipo ha desarrollado una nueva teoría que muestra cómo se pueden formar tales fluctuaciones locales en GeTe y materiales relacionados. Esta comprensión mecánica 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 mejores materiales.
Equipo de investigación
Belling codirigió este trabajo con Simon Kemper, que estaba en la Universidad de Borgoña en Francia en el momento del estudio. Pilling y Kemper trabajaron con colegas en ORNL y Argonne National Laboratory (ANL), también financiado por el Departamento de Energía. Las mediciones de dispersión de neutrones inelásticas de la cámara vsPDF se realizaron en ORNL; La teoría se hizo en la ANL.
próximos pasos
Billinge ahora está trabajando para hacer que su método sea más fácil de usar para la comunidad de investigación y aplicarlo a otros sistemas dinámicamente desordenados. Actualmente, esta tecnología no está lista para usar, pero con un mayor desarrollo debería convertirse en una métrica mucho más estándar que se pueda usar 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 de procesos durante Split agua con luz solar.
El estudio se titula «La cristalografía dinámica revela anisotropía espontánea en GeTe cúbico».
más información:
Simon AJ Kimber et al, La cristalografía dinámica revela anisotropía espontánea en GeTe cúbico, materiales de la naturaleza (2023). DOI: 10.1038/s41563-023-01483-7
«Fanático del café. Amable aficionado a los zombis. Devoto practicante de la cultura pop. Malvado defensor de los viajes. Organizador típico».