Un „aparat foto” extrem de rapid a reușit să surprindă haosul atomilor

Majoritatea aparatelor foto de pe piață au o viteză maximă de declanșare de 4 miimi de secundă. Însă pentru a vedea cum arată haosul atomilor este nevoie de ceva mult mai rapid.

Oamenii de știință au găsit o modalitate de a obține o viteză a obturatorului care este de doar o trilionime de secundă, adică de 250 de milioane de ori mai rapidă decât a aparatelor foto digitale. Acest lucru înseamnă că tehnologia este capabilă să surprindă ceva foarte important în știința materialelor: cum arată haosul atomilor (dezordinea dinamică).

• Scanările cerebrale dezvăluie un pericol ascuns în alimentele ultra-procesate
• Ce au descoperit astronomii pe orbita unei stele antice?

Mai simplu spus, această dezordine este dată de grupurile de atomi care se mișcă și „dansează” într-un material în moduri specifice pe o anumită perioadă, declanșate de o vibrație sau de o schimbare de temperatură. Acesta încă nu este un fenomen înțeles pe deplin, dar este crucial pentru proprietățile și reacțiile materialelor.

Acum este posibil să vedem cum arată haosul atomilor

Noul sistem de viteză super-rapidă a obturatorului le oferă cercetătorilor o perspectivă mult mai bună asupra a ceea ce se întâmplă cu tulburarea dinamică. Cercetătorii se referă la invenția lor drept funcție de distribuție a perechilor atomice cu obturator variabil, sau pe scurt vsPDF.

„Numai cu acest nou instrument vsPDF putem vedea cu adevărat această latură a materialelor. Cu această tehnică, vom putea să urmărim un material și să vedem care atomi ‘dansează’ și care ‘stau pe bancă’”, spune cercetătorul Simon Billinge, de la Columbia University (SUA).

O viteză mai mare a obturatorului surprinde un instantaneu mai precis al timpului, ceea ce este util pentru mișcarea rapidă a obiectelor, cum ar fi atomii. Dacă utilizați o viteză scăzută a obturatorului într-o fotografie a unui joc sportiv, de exemplu, veți avea jucători neclari în cadru, explică Science Alert.

Cum funcționează aparatul creat de cercetători?

Pentru a atinge această viteză uimitoare, vsPDF folosește neutroni pentru a măsura poziția atomilor, mai degrabă decât tehnicile de fotografie convenționale. Modul în care neutronii lovesc și trec printr-un material poate fi urmărit pentru a măsura atomii din jur, cu modificări ale nivelurilor de energie echivalente cu ajustările vitezei obturatorului.

Aceste variații ale vitezei obturatorului sunt semnificative, precum și viteza obturatorului, de o trilionime dintr-o secundă: ele sunt vitale pentru a distinge dezordinea dinamică din tulburarea statică asociată, dar diferită (fundalul normal care se mișcă pe locul atomilor, dar care nu sporește funcția unui material).

„Ne oferă o modalitate cu totul nouă de a dezlega complexitatea a ceea ce se întâmplă în materiale complexe, efectele ascunse care le pot supraîncărca proprietățile”, spune Billinge.

Cum arată haosul atomilor din telurura de germaniu?

În acest caz, cercetătorii și-au antrenat camera cu neutroni pe un material numit telurură de germaniu (GeTe), care, datorită proprietăților sale speciale, este utilizat la scară largă pentru a transforma căldura reziduală în electricitate sau electricitatea în răcire.

Aparatul a dezvăluit că GeTe a rămas structurat ca un cristal, în medie, la toate temperaturile. Dar la temperaturi mai ridicate a afișat o dezordine mai dinamică, în care atomii au schimbat mișcare în energie termică urmând un gradient care se potrivește cu direcția polarizării electrice spontane a materialului.

La ce folosește un astfel de aparat?

O mai bună înțelegere a acestor structuri fizice ne sporește cunoștințele despre modul în care funcționează termoelectricul, permițându-ne să dezvoltăm materiale și echipamente mai bune, cum ar fi instrumentele care alimentează roverele de pe Marte atunci când lumina Soarelui nu este disponibilă.

Prin modele bazate pe observațiile surprinse de noua cameră, înțelegerea științifică a acestor materiale și procese poate fi îmbunătățită. Cu toate acestea, mai este mult de lucru pentru ca vsPDF să fie gata de utilizare la scară largă.

„Apreciem că tehnica vsPDF descrisă aici va deveni un instrument standard pentru reconcilierea structurilor locale și medii în materiale energetice”, scriu cercetătorii în lucrare.

Cercetarea a fost publicată în Nature Materials.

Vă recomandăm să citiți și:

De ce au fost create țesăturile care își schimbă forma la căldură?

Bateria litiu-aer ar putea oferi o autonomie mai mare pentru autoturisme

Cercetătorii au creat senzorul de lumină „imposibil” cu o eficiență de 200%

Lemnul ce captează carbon, alternativa „verde” pentru construcții și mobilă