Neue „Kamera“ mit einer Verschlusszeit von 1 Billionstel Sekunde durchschaut die dynamische Unordnung von Atomen

Forscher verstehen allmählich, dass die leistungsstärksten Materialien für nachhaltige Energieanwendungen, wie die Umwandlung von Sonnenlicht oder Abwärme in Elektrizität, häufig kollektive Schwankungen von Atomclustern innerhalb einer viel größeren Struktur verwenden. Dieser Prozess wird oft als „dynamische Störung“ bezeichnet.

Dynamische Störung

Das Verständnis der dynamischen Unordnung in Materialien könnte zu energieeffizienteren thermoelektrischen Geräten wie Festkörperkühlschränken und Wärmepumpen und auch zu einer besseren Rückgewinnung nutzbarer Energie aus Abwärme wie Autoabgasen und Kraftwerksabgasen durch direkte Umwandlung führen zu Strom. Ein thermoelektrisches Gerät war in der Lage, radioaktivem Plutonium Wärme zu entziehen und sie in Elektrizität umzuwandeln, um den Mars Rover anzutreiben, wenn nicht genügend Sonnenlicht vorhanden war.

Wenn Materialien in einem Bediengerät funktionieren, können sie sich verhalten, als ob sie lebendig wären und tanzen – Teile des Materials reagieren und verändern sich auf erstaunliche und unerwartete Weise. Diese dynamische Unordnung ist schwer zu untersuchen, weil die Cluster nicht nur so klein und ungeordnet sind, sondern auch zeitlich schwanken. Darüber hinaus gibt es in Materialien eine „langweilige“ nicht fluktuierende Unordnung, an der Forscher nicht interessiert sind, weil die Unordnung die Eigenschaften nicht verbessert. Bisher war es unmöglich, die relevante dynamische Störung vor dem Hintergrund einer weniger relevanten statischen Störung zu sehen.

Die neue „Kamera“ hat eine unglaublich kurze Verschlusszeit von etwa 1 Pikosekunde

Forscher von Columbia Engineering und der Université de Bourgogne berichten, dass sie eine neue Art von „Kamera“ entwickelt haben, die die lokale Störung sehen kann. Sein Hauptmerkmal ist eine variable Verschlusszeit: Da sich die ungeordneten Atomcluster bewegen, verschwamm die dynamische Unordnung, wenn das Team einen langsamen Verschluss verwendete, aber wenn es einen schnellen Verschluss verwendete, konnten sie es sehen. Die neue Methode, die sie Variable Shutter PDF oder vsPDF (für Atompaarverteilungsfunktion) nennen, funktioniert nicht wie eine herkömmliche Kamera – sie verwendet Neutronen aus einer Quelle im Oak Ridge National Laboratory (ORNL) des US-Energieministeriums zur Messung atomaren Positionen mit einer Verschlusszeit von etwa einer Pikosekunde oder einer Million Millionen (eine Billion) Mal schneller als normale Kameraverschlüsse. Die Studie wurde am 20. Februar 2023 von veröffentlicht Naturmaterialien.

„Nur mit diesem neuen vsPDF-Tool können wir diese Seite der Materialien wirklich sehen“, sagt Simon Billinge, Professor für Materialwissenschaften und angewandte Physik und angewandte Mathematik. „Es gibt uns eine ganz neue Möglichkeit, die Komplexität dessen zu entwirren, was in komplexen Materialien vor sich geht, versteckte Effekte, die ihre Eigenschaften verstärken können. Mit dieser Technik werden wir in der Lage sein, ein Material zu beobachten und zu sehen, welche Atome im Tanz sind und die es aussitzen.“

Neue Theorie zur Stabilisierung lokaler Schwankungen und Umwandlung von Abwärme in Strom

Das vsPDF-Tool ermöglichte es den Forschern, atomare Symmetrien zu finden, die in GeTe gebrochen sind, einem wichtigen Material für Thermoelektrizität, das Abwärme in Strom (oder Strom in Kühlung) umwandelt. Sie waren zuvor nicht in der Lage, die Verschiebungen zu sehen oder die dynamischen Schwankungen und wie schnell sie schwankten, zu zeigen. Als Ergebnis der Erkenntnisse aus vsPDF entwickelte das Team eine neue Theorie, die zeigt, wie sich solche lokalen Schwankungen in GeTe und verwandten Materialien bilden können. Ein solches mechanistisches Verständnis des Tanzes wird Forschern helfen, nach neuen Materialien mit diesen Effekten zu suchen und externe Kräfte anzuwenden, um den Effekt zu beeinflussen, was zu noch besseren Materialien führt.

Forschungsgruppe

Billlinge leitete diese Arbeit gemeinsam mit Simon Kimber, der zum Zeitpunkt der Studie an der Universität Bourgogne in Frankreich war. Billinge und Kimber arbeiteten mit Kollegen am ORNL und am Argonne National Laboratory (ANL), das ebenfalls vom DOE finanziert wird. Die Messungen der inelastischen Neutronenstreuung für die vsPDF-Kamera wurden am ORNL durchgeführt; Die Theorie wurde bei ANL gemacht.

Nächste Schritte

Billinge arbeitet nun daran, seine Technik für die Forschungsgemeinschaft benutzerfreundlicher zu machen und sie auf andere Systeme mit dynamischer Unordnung anzuwenden. Im Moment ist die Technik nicht schlüsselfertig, aber mit der Weiterentwicklung sollte sie zu einer viel standardisierteren Messung werden, die für viele Materialsysteme verwendet werden könnte, bei denen die Atomdynamik wichtig ist, von der Beobachtung von Lithiumbewegungen in Batterieelektroden bis hin zur Untersuchung der Dynamik Prozesse bei der Wasserspaltung mit Sonnenlicht.

Die Studie trägt den Titel „Dynamische Kristallographie zeigt spontane Anisotropie in kubischem GeTe“.