Acelerar el obturador de la cámara un millón de veces permite a los investigadores comprender cómo los materiales mueven el calor, un paso clave en el desarrollo de aplicaciones de energía sostenible.

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. Era un dispositivo termoeléctrico capaz de tomar calor del plutonio radiactivo y convertirlo en electricidad para alimentar[{” 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.

Detección de estructuras atómicas con una cámara de “neutrones”. Crédito: Laboratorio Nacional de Oak Ridge

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 en la revista el 20 de febrero de 2023. 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 sutiles influencias que pueden aumentar sus propiedades. Con esta técnica, podremos observar un material y ver qué átomos están en el baile y que están sentados fuera de ella.”

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. Por el momento, esta tecnología no está lista para su uso, 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 los procesos durante Dividir el agua con la luz del sol.

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 y Jessica M. Hudspeth, Zhong-Zhen Luo, Mercouri G. Kanatzidis, Tapan Chatterji, Anibal J. Ramirez-Cuesta y Simon JL Billinge, 20 de febrero de 2023, disponible aquí. materiales de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41563-023-01483-7

Autores: Simon AJ Kimber, Batiment Sciences Mirande; Jiaoong Zhang, Laboratorio Nacional de Oak Ridge; Carlos 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).