Новая «камера» с выдержкой в ​​1 триллионную долю секунды видит сквозь динамическую турбулентность атомов

Исследователи пришли к пониманию, что самые эффективные материалы в устойчивых энергетических приложениях, таких как преобразование солнечного света или отработанного тепла в электричество, часто используют коллективные колебания групп атомов в гораздо большей структуре. Этот процесс часто называют «динамической турбулентностью».

динамическое возмущение

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

Когда материалы запускаются внутри устройства воспроизведения, они могут вести себя так, как будто они живые и танцуют — кусочки материи реагируют и изменяются удивительным и неожиданным образом. Эту динамическую турбулентность трудно изучать, потому что скопления не только очень малы и неупорядочены, но и флуктуируют во времени. Кроме того, в материалах присутствует нелетучий «скучный» беспорядок, который не интересует исследователей, поскольку беспорядок не улучшает свойства. До сих пор было невозможно увидеть соответствующее динамическое возмущение на фоне менее значимого статического возмущения.

Новая «камера» имеет сверхкороткую выдержку около 1 пикосекунды.

Исследователи из Columbia Engineering и Бургундского университета сообщают, что они разработали новый тип «камеры», которая может видеть локальную турбулентность. Его основным преимуществом является переменная скорость затвора: поскольку неупорядоченные атомные кластеры движутся, когда команда использовала медленный затвор, динамическая турбулентность не была заметна, но когда они использовали быстрый затвор, они могли ее увидеть. Новый метод, который они называют PDF или vsPDF (функция распределения атомных пар), не работает как обычная камера — он использует нейтроны от источника в Национальной лаборатории Ок-Риджа (ORNL) Министерства энергетики США для измерения атомных позиций. при выдержке примерно в пикосекунду, или в миллион (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 этот аспект материалов», — сказал Саймон Пиллинг, профессор материаловедения, прикладной физики и прикладной математики. «Это дает нам совершенно новый способ разобраться в тонкостях того, что происходит в сложных материалах, и скрытых влияниях, которые могут улучшить их свойства. С помощью этой техники мы сможем наблюдать за материалом и видеть, какие атомы находятся в его структуре. танцуй и кто сидит снаружи».

Новая теория о стабилизации локальных колебаний и преобразовании отработанного тепла в электричество

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

Исследовательская команда

Беллинг руководил этой работой вместе с Саймоном Кемпером, который во время исследования работал в Бургундском университете во Франции. Пиллинг и Кемпер работали с коллегами из ORNL и Аргоннской национальной лаборатории (ANL), также финансируемых Министерством энергетики. Измерения неупругого рассеяния нейтронов камерой vsPDF проводились в ORNL; Теория была сделана в ANL.

следующие шаги

Сейчас Биллиндж работает над тем, чтобы исследовательскому сообществу было проще использовать его метод и применять его к другим динамически неупорядоченным системам. В настоящее время эта технология не готова к использованию, но при дальнейшем развитии она должна стать гораздо более стандартной метрикой, которую можно будет использовать во многих системах материалов, где важна атомная динамика, от наблюдения за движением лития в электродах батареи до изучения динамики процессы при разделении воды солнечным светом.

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