Исследователи начинают понимать, что самые эффективные материалы в устойчивых энергетических приложениях, таких как преобразование солнечного света или отработанного тепла в электричество, часто используют коллективные колебания кластеров атомов в гораздо большей структуре. Этот процесс часто называют «динамическим расстройством».

Динамическое расстройство

Понимание динамического беспорядка в материалах может привести к созданию более энергоэффективных термоэлектрических устройств, таких как твердотельные холодильники и тепловые насосы , а также к лучшему извлечению полезной энергии из отработанного тепла , такого как автомобильные выхлопы и выхлопы электростанций, путем их прямого преобразования. к электричеству. Термоэлектрическое устройство могло извлекать тепло из радиоактивного плутония и преобразовывать его в электричество для питания марсохода, когда не хватало солнечного света.

Когда материалы функционируют внутри работающего устройства, они могут вести себя так, как будто они живые и танцуют — части материала реагируют и изменяются удивительным и неожиданным образом. Этот динамический беспорядок трудно изучать, поскольку скопления не только очень малы и неупорядочены, но и флуктуируют во времени. Кроме того, в материалах существует «скучный» нефлуктуирующий беспорядок, который не интересует исследователей, потому что беспорядок не улучшает свойства. До сих пор было невозможно увидеть соответствующий динамический беспорядок на фоне менее значимого статического беспорядка.

Новая «камера» имеет невероятно короткую выдержку около 1 пикосекунды.

Исследователи из Columbia Engineering и Université de Bourgogne сообщают, что они разработали новый тип «камеры», которая может видеть местные беспорядки. Его ключевой особенностью является переменная скорость затвора: поскольку неупорядоченные атомные кластеры движутся, когда команда использовала медленный затвор, динамический беспорядок размывался, но когда они использовали быстрый затвор, они могли его увидеть. Новый метод, который они называют PDF с переменным затвором или vsPDF (для функции распределения атомных пар), не работает как обычная камера — он использует нейтроны от источника в Национальной лаборатории Ок-Риджа (ORNL) Министерства энергетики США для измерения положения атомов с выдержкой около одной пикосекунды, или в миллион миллионов (триллион) раз быстрее, чем затворы обычных камер. Исследование было опубликовано 20 февраля 2023 г.Природные материалы.

«Только с этим новым инструментом vsPDF мы можем по-настоящему увидеть эту сторону материалов», — сказал Саймон Биллиндж, профессор материаловедения, прикладной физики и прикладной математики. «Это дает нам совершенно новый способ разобраться в сложностях того, что происходит в сложных материалах, скрытых эффектах, которые могут усилить их свойства. С помощью этой техники мы сможем наблюдать за материалом и видеть, какие атомы участвуют в танце». и которые отсиживаются».

Новая теория стабилизации локальных колебаний и преобразования отработанного тепла в электричество

Инструмент vsPDF позволил исследователям обнаружить нарушение симметрии атомов в GeTe, важном материале для термоэлектричества, который преобразует отработанное тепло в электричество (или электричество в охлаждение). Раньше они не могли увидеть смещения или показать динамические колебания и то, как быстро они колебались. В результате идей vsPDF команда разработала новую теорию, которая показывает, как такие локальные флуктуации могут образовываться в GeTe и связанных с ним материалах. Такое механистическое понимание танца поможет исследователям искать новые материалы с такими эффектами и применять внешние силы, чтобы воздействовать на эффект, что приведет к получению еще лучших материалов.

Исследовательская команда

Билллиндж руководил этой работой вместе с Саймоном Кимбером, который во время исследования работал в Бургундском университете во Франции. Биллиндж и Кимбер работали с коллегами из ORNL и Аргоннской национальной лаборатории (ANL), также финансируемой Министерством энергетики. Измерения неупругого рассеяния нейтронов для камеры vsPDF были выполнены в ORNL; теория была сделана в ANL.

Следующие шаги

Сейчас Биллиндж работает над тем, чтобы сделать свою технику более удобной для исследовательского сообщества и применить ее к другим системам с динамическим беспорядком. На данный момент этот метод не готов к использованию, но при дальнейшем развитии он должен стать гораздо более стандартным измерением, которое можно будет использовать во многих материальных системах, где важна атомная динамика, от наблюдения за движением лития в электродах батареи до изучения динамики. процессы при расщеплении воды солнечным светом.

Исследование называется «Динамическая кристаллография выявляет спонтанную анизотропию в кубическом GeTe».