7 مارس 2023 -توسط هالی اوارتز، دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه کلمبیا
در سرعت های پایین شاتر، ساختار اتمی GeTE منظم اما تار به نظر می رسد. نوردهی سریعتر یک الگوی پیچیده واضح از جابجایی های دینامیکی را نشان می دهد. اعتبار: جیل همن / ORNL، وزارت انرژی ایالات متحده
محققان در حال درک این موضوع هستند که بهترین مواد در کاربردهای انرژی پایدار، مانند تبدیل نور خورشید یا گرمای هدر رفته به الکتریسیته، اغلب از نوسانات دسته‌ای از اتم‌ها در یک ساختار بسیار بزرگ‌تر استفاده می‌کنند. این فرآیند اغلب به عنوان “بی نظمی پویا” شناخته می شود.
درک اختلال دینامیکی در مواد می‌تواند منجر به دستگاه‌های ترموالکتریک با کارآمدی انرژی، مانند یخچال‌های حالت جامد و پمپ‌های حرارتی شود، و همچنین با تبدیل مستقیم آن به بازیابی بهتر انرژی مفید از گرمای هدر رفته، مانند اگزوز خودروها و اگزوزهای نیروگاه‌ها منجر شود.
هنگامی که مواد در داخل یک دستگاه عامل کار می کنند، می توانند طوری رفتار کنند که گویی زنده هستند و می رقصند – بخش هایی از مواد به روش های شگفت انگیز و غیرمنتظره ای واکنش نشان می دهند و تغییر می کنند. مطالعه این اختلال پویا دشوار است زیرا خوشه ها نه تنها بسیار کوچک و نامنظم هستند، بلکه در زمان نیز در نوسان هستند. علاوه بر این، اختلال غیر نوسانی “خسته کننده” در مواد وجود دارد که محققان به آن علاقه ای ندارند زیرا این اختلال خواص را بهبود نمی بخشد. تا کنون، مشاهده اختلال پویا مربوطه از پس زمینه اختلال ایستا کمتر مرتبط غیرممکن بوده است.
محققان مهندسی کلمبیا و دانشگاه بورگوگن گزارش می دهند که نوع جدیدی از “دوربین” ساخته اند که می تواند اختلال محلی را ببیند. ویژگی کلیدی آن سرعت شاتر متغیر است: چون خوشه های اتمی نامنظم در حال حرکت هستند، وقتی تیم از شاتر آهسته استفاده می کرد، اختلال دینامیکی محو می شد، اما وقتی از شاتر سریع استفاده می کردند، می توانستند آن را ببینند. روش جدید، که آنها آن را PDF شاتر متغیر یا vsPDF (برای تابع توزیع جفت اتمی) می نامند، مانند یک دوربین معمولی کار نمی کند – از نوترون های منبعی در آزمایشگاه ملی اوک ریج (ORNL) وزارت انرژی ایالات متحده برای اندازه گیری استفاده می کند. موقعیت های اتمی با سرعت شاتر حدود یک پیکوثانیه یا یک میلیون میلیون (یک تریلیون) بار سریعتر از شاترهای معمولی دوربین.
این مطالعه در 20 فوریه 2023 توسط Nature Materials منتشر شد.
Simon Billinge، استاد علم مواد و فیزیک کاربردی و ریاضیات کاربردی، می‌گوید: «تنها با این ابزار جدید vsPDF است که می‌توانیم واقعاً این طرف مواد را ببینیم. “این روشی کاملاً جدید به ما می دهد تا پیچیدگی های آنچه را که در مواد پیچیده می گذرد، جلوه های پنهانی که می توانند خواص آنها را افزایش دهند، باز کنیم. با این تکنیک، ما قادر خواهیم بود یک ماده را تماشا کنیم و ببینیم کدام اتم ها در رقص هستند. و چه کسانی آن را بیرون می نشینند.”
ابزار vsPDF محققان را قادر ساخت تا تقارن های اتمی شکسته شده در GeTe را پیدا کنند، ماده ای مهم برای ترموالکتریکی که گرمای هدر رفته را به الکتریسیته (یا الکتریسیته به خنک کننده) تبدیل می کند. آنها قبلاً قادر به دیدن جابجایی ها یا نشان دادن نوسانات دینامیکی و سرعت نوسان آنها نبودند. در نتیجه بینش های vsPDF، تیم تئوری جدیدی ایجاد کرد که نشان می دهد چگونه چنین نوسانات محلی می توانند در GeTe و مواد مرتبط شکل بگیرند. چنین درک مکانیکی از رقص به محققان کمک می کند تا به دنبال مواد جدیدی با این اثرات باشند و نیروهای خارجی را برای تأثیرگذاری بر اثر اعمال کنند که منجر به مواد بهتری می شود.
بیلینژ در این کار با سیمون کیمبر، که در زمان مطالعه در دانشگاه بورگون فرانسه بود، رهبری کرد. بیلینژ و کیمبر با همکارانش در ORNL و آزمایشگاه ملی آرگون (ANL) که توسط DOE نیز تامین مالی می‌شد، کار کردند. اندازه‌گیری‌های پراکندگی نوترون غیرالاستیک برای دوربین vsPDF در ORNL انجام شد. این تئوری در ANL انجام شد.
Billinge اکنون در حال کار بر روی سهولت استفاده از تکنیک خود برای جامعه تحقیقاتی و استفاده از آن در سایر سیستم های دارای اختلال پویا است. در حال حاضر، این تکنیک کلید در دست نیست، اما با توسعه بیشتر، باید به یک اندازه گیری بسیار استانداردتر تبدیل شود که می تواند در بسیاری از سیستم های مواد که دینامیک اتمی در آنها مهم است، از تماشای حرکت لیتیوم در الکترودهای باتری گرفته تا مطالعه دینامیک فرآیندهای حین تقسیم آب با نور خورشید استفاده شود..
این مطالعه با عنوان “کریستالوگرافی پویا ناهمسانگردی خود به خود را در GeTe مکعبی نشان می دهد.”
