Une nouvelle « caméra » avec une vitesse d’obturation de 1 billion de seconde voit à travers la turbulence dynamique des atomes

Les chercheurs ont compris que les matériaux les plus performants dans les applications énergétiques durables, telles que la conversion de la lumière solaire ou de la chaleur perdue en électricité, utilisent souvent les fluctuations collectives de groupes d’atomes au sein d’une structure beaucoup plus grande. Ce processus est souvent appelé « turbulence dynamique ».

perturbation dynamique

Comprendre la turbulence dynamique dans les matériaux peut conduire à des dispositifs thermoélectriques plus économes en énergie, tels que des réfrigérateurs à semi-conducteurs et des pompes à chaleur, ainsi qu’à une meilleure récupération de l’énergie utile de la chaleur perdue, comme les gaz d’échappement des automobiles et des centrales électriques, en la convertissant directement. en électricité. Le dispositif thermoélectrique était capable de prélever la chaleur du plutonium radioactif et de la convertir en électricité pour alimenter le rover martien lorsqu’il n’y avait pas assez de lumière solaire.

Lorsque des matériaux s’exécutent à l’intérieur d’un appareil de lecture, ils peuvent agir comme s’ils étaient vivants et dansaient – des morceaux de matière réagissant et changeant de manière étonnante et inattendue. Cette turbulence dynamique est difficile à étudier car non seulement les amas sont très petits et désordonnés, mais ils fluctuent également dans le temps. De plus, il existe un désordre « ennuyeux » non volatil 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 la perturbation dynamique pertinente de l’arrière-plan de la perturbation statique la moins pertinente.

La nouvelle « caméra » a une vitesse d’obturation ultra-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 les turbulences locales. Son principal avantage est la vitesse d’obturation variable : comme les amas atomiques désordonnés se déplacent, lorsque l’équipe utilisait un obturateur lent, la turbulence dynamique n’était pas apparente, mais lorsqu’elle utilisait un obturateur rapide, elle pouvait la voir. La nouvelle méthode, qu’ils appellent PDF 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 les positions atomiques à une vitesse d’obturation d’environ une picoseconde, soit un million (un billion) de fois plus rapide que les obturateurs d’appareil 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 cet aspect des matériaux », a déclaré Simon Pilling, professeur de science des matériaux, de physique appliquée et de mathématiques appliquées. « Cela nous donne une toute nouvelle façon de démêler les subtilités de ce qui se passe dans des matériaux complexes et les influences cachées qui peuvent augmenter leurs propriétés. Avec cette technique, nous pourrons observer un matériau et voir quels atomes sont dans le danse et qui est assis dehors. »

Une nouvelle théorie sur la stabilisation des fluctuations locales et la conversion de la chaleur résiduelle en électricité

L’outil vsPDF a permis aux chercheurs de trouver des symétries atomiques brisées dans GeTe, un matériau thermoélectrique important qui convertit la chaleur perdue en électricité (ou l’électricité en refroidissement). Auparavant, ils n’étaient pas en mesure de voir les déplacements, ni de montrer les fluctuations dynamiques et la vitesse à laquelle elles fluctuent. 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. Cette 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 de meilleurs matériaux.

L’équipe de recherche

Belling a co-dirigé ce travail avec Simon Kemper, qui était à l’Université de Bourgogne en France au moment de l’étude. Pilling et Kemper ont travaillé avec des collègues de l’ORNL et du Laboratoire national d’Argonne (ANL), également financé par le ministère de l’Énergie. Des mesures de diffusion inélastique des neutrons de 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 méthode plus facile à utiliser et à appliquer à d’autres systèmes dynamiquement désordonnés pour la communauté des chercheurs. Actuellement, cette technologie n’est pas prête à l’emploi, mais avec un développement ultérieur, elle devrait devenir une métrique beaucoup plus standard qui peut être utilisée dans de nombreux systèmes de matériaux où la dynamique atomique est importante, de l’observation du mouvement du lithium dans les électrodes de la batterie à l’étude de la dynamique de processus pendant l’eau de Split avec la lumière du soleil.

L’étude s’intitule « La cristallographie dynamique révèle une anisotropie spontanée dans Cubic GeTe ».