Les chercheurs commencent à comprendre que les matériaux les plus performants dans les applications énergétiques durables, telles que la conversion de la lumière du soleil ou de la chaleur perdue en électricité, utilisent souvent des fluctuations collectives d’amas d’atomes au sein d’une structure beaucoup plus grande. Ce processus est souvent appelé « trouble dynamique ».
Trouble dynamique
Comprendre le désordre dynamique dans les matériaux pourrait conduire à des dispositifs thermoélectriques plus économes en énergie, tels que les réfrigérateurs à semi-conducteurs et les pompes à chaleur, et également à une meilleure récupération de l’énergie utile de la chaleur perdue, comme les gaz d’échappement des voitures et des gaz d’échappement des centrales électriques, en la convertissant directement à l’électricité. Un dispositif thermoélectrique était capable de prélever la chaleur du plutonium radioactif et de la convertir en électricité pour alimenter le Mars Rover lorsqu’il n’y avait pas assez de lumière solaire.
Lorsque des matériaux fonctionnent à l’intérieur d’un appareil en fonctionnement, ils peuvent se comporter comme s’ils étaient vivants et dansaient – des parties du matériau réagissent et changent de manière étonnante et inattendue. Ce désordre dynamique est difficile à étudier car les clusters sont non seulement si petits et désordonnés, mais ils fluctuent également dans le temps. De plus, il existe un désordre « ennuyeux » non fluctuant dans les matériaux qui ne s’intéresse pas aux chercheurs car le désordre n’améliore pas les propriétés. Jusqu’à présent, il était impossible de distinguer le trouble dynamique pertinent de l’arrière-plan d’un trouble statique moins pertinent.
La nouvelle « caméra » a une vitesse d’obturation incroyablement rapide d’environ 1 picoseconde
Des chercheurs de Columbia Engineering et de l’Université de Bourgogne rapportent qu’ils ont développé un nouveau type de « caméra » capable de voir le désordre local. Sa principale caractéristique est une vitesse d’obturation variable : comme les amas atomiques désordonnés se déplacent, lorsque l’équipe utilisait un obturateur lent, le désordre dynamique s’estompait, mais lorsqu’ils utilisaient un obturateur rapide, ils pouvaient le voir. La nouvelle méthode, qu’ils appellent PDF à obturateur variable ou vsPDF (pour fonction de distribution de paires atomiques), ne fonctionne pas comme une caméra conventionnelle – elle utilise des neutrons provenant d’une source du Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) du Département américain de l’énergie pour mesurer positions atomiques avec une vitesse d’obturation d’environ une picoseconde, soit un million de millions (un billion) de fois plus rapide que les obturateurs d’appareils photo normaux. L’étude a été publiée le 20 février 2023 par Matériaux naturels.
« Ce n’est qu’avec ce nouvel outil vsPDF que nous pouvons vraiment voir ce côté des matériaux », a déclaré Simon Billinge, professeur de science des matériaux, de physique appliquée et de mathématiques appliquées. « Cela nous donne une toute nouvelle façon de démêler les complexités de ce qui se passe dans des matériaux complexes, des effets cachés qui peuvent booster leurs propriétés. Avec cette technique, nous pourrons observer un matériau et voir quels atomes sont dans la danse et qui s’assoient. »
Révéler les structures atomiques avec une caméra « Neutron ». Crédit : Laboratoire national d’Oak Ridge
Nouvelle théorie sur la stabilisation des fluctuations locales et la conversion de la chaleur perdue en électricité
L’outil vsPDF a permis aux chercheurs de trouver des symétries atomiques brisées dans GeTe, un matériau important pour la thermoélectricité qui convertit la chaleur perdue en électricité (ou l’électricité en refroidissement). Ils n’avaient pas été capables auparavant de voir les déplacements, ou de montrer les fluctuations dynamiques et à quelle vitesse elles fluctuaient. À la suite des connaissances de vsPDF, l’équipe a développé une nouvelle théorie qui montre à quel point de telles fluctuations locales peuvent se former dans GeTe et les matériaux associés. Une telle compréhension mécaniste de la danse aidera les chercheurs à rechercher de nouveaux matériaux avec ces effets et à appliquer des forces externes pour influencer l’effet, conduisant à des matériaux encore meilleurs.
L’équipe de recherche
Billlinge a codirigé ce travail avec Simon Kimber, qui était à l’Université de Bourgogne en France au moment de l’étude. Billinge et Kimber ont travaillé avec des collègues de l’ORNL et du Laboratoire national d’Argonne (ANL), également financé par le DOE. Les mesures de diffusion inélastique des neutrons pour la caméra vsPDF ont été effectuées à l’ORNL ; la théorie a été faite à l’ANL.
Prochaines étapes
Billinge travaille maintenant à rendre sa technique plus facile à utiliser pour la communauté des chercheurs et à l’appliquer à d’autres systèmes présentant un trouble dynamique. Pour le moment, la technique n’est pas clé en main, mais avec un développement ultérieur, elle devrait devenir une mesure beaucoup plus standard qui pourrait être utilisée sur de nombreux systèmes de matériaux où la dynamique atomique est importante, de l’observation du lithium se déplaçant dans les électrodes de la batterie à l’étude de la dynamique. processus lors de la séparation de l’eau avec la lumière du soleil.
L’étude s’intitule « La cristallographie dynamique révèle une anisotropie spontanée dans le GeTe cubique ».
Plus d’information:
Simon AJ Kimber et al, La cristallographie dynamique révèle une anisotropie spontanée dans GeTe cubique, Matériaux naturels (2023). DOI : 10.1038/s41563-023-01483-7