کشف دنیای پنهان دینامیک اتمی با یک روش جدید

افزایش سرعت شاتر دوربین به یک تریلیونم ثانیه (پیکو ثانیه) محققان را قادر می سازد تا بفهمند مواد چگونه گرما را به اطراف منتقل می کنند.

به گزارش تکناک، محققان در حال درک این موضوع هستند که عملکرد بهینه مواد در کاربردهای انرژی پایدار، مانند تبدیل نور خورشید یا گرمای هدر رفته به الکتریسیته، اغلب از نوسانات جمعی خوشه‌های اتم در ساختار بسیار بزرگ‌تری استفاده می‌کنند. این فرآیند اغلب به عنوان “بی نظمی دینامیکی” نامیده می شود.

بی نظمی دینامیکی

درک بی نظمی دینامیکی در مواد می‌تواند منجر به ساخت دستگاه‌های ترموالکتریک مانند یخچال‌های حالت جامد و پمپ‌های حرارتی با انرژی کارآمدتر شود. همچنین به بازیابی بهتر انرژی از گرمای هدر رفته، در بخش هایی مانند اگزوز خودرو و اگزوز نیروگاه‌ها، با تبدیل مستقیم آن‌ها کمک می کند. علاوه بر این، یک دستگاه ترموالکتریک می تواند گرما را از پلوتونیوم رادیواکتیو بگیرد و آن را به الکتریسیته تبدیل کند تا انرژی مریخ نورد را در زمانی که نور خورشید کافی وجود ندارد تامین کند.

هنگامی که مواد در داخل یک دستگاه در حال کار فعال هستند، می توانند طوری رفتار کنند که گویی زنده هستند و می رقصند. به طوری که بخش هایی از مواد به روش های شگفت انگیز و غیرمنتظره ای واکنش نشان می دهند و تغییر می کنند. مطالعه این بی نظمی دینامیکی دشوار است زیرا خوشه ها نه تنها بسیار کوچک و نامنظم هستند، بلکه در زمان نیز  نوسان می کنند. علاوه بر این، بی نظمی غیر نوسانی نیز در مواد وجود دارد که محققان به آن علاقه ای ندارند زیرا این بی نظمی خواص را بهبود نمی بخشد. تا کنون محققان در مشاهده بی نظمی دینامیکی مرتبط موفق نبوده اند.

سرعت شاتر فوق العاده سریع دوربین جدید

محققان دانشگاه کلمبیا و دانشگاه بورگوین گزارش می دهند که نوع جدیدی از دوربین را ساخته اند که می تواند بینظمی موضعی 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 با سرعت یک تریلیونم ثانیه 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. این دوربین از نوترون ها که آنها را از ایالات متحده و از آزمایشگاه ملی OakRidge (ORNL) وزارت انرژی تهیه می کنند برای اندازه‌گیری موقعیت‌های اتمی با سرعت شاتر حدود یک پیکوثانیه یا یک میلیون میلیون (یک تریلیون) بار سریع‌تر از شاترهای معمولی دوربین استفاده می کند.

سایمون بیلینژ ، استاد علم مواد و فیزیک کاربردی و ریاضیات کاربردی، می‌گوید: تنها با این ابزار جدید (vsPDF) است که می‌توانیم واقعاً این بعد از مواد را ببینیم. این یک راه کاملاً جدید برای دیدن پیچیدگی های مواد پیشرفته است. با این تکنیک، ما می‌توانیم یک ماده را تماشا کنیم و ببینیم کدام اتم‌ها در رقص هستند.

تئوری جدید در مورد تثبیت نوسانات موضعی و تبدیل گرمای ضایعات به برق

ابزار vsPDF محققان را قادر ساخت تا تقارن های اتمی شکسته شده در GeTe را پیدا کنند، ماده ای مهم برای ترموالکتریسیته که گرمای هدر رفته را به الکتریسیته 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 جدید با این اثرات باشند و نیروهای خارجی را برای تأثیرگذاری بر نتیجه اعمال کنند که منجر به مواد حتی بهتر می شود.

گروه تحقیق

سایمون بیلینژ در این کار با سایمون کیمبر، که در زمان مطالعه در دانشگاه بورگوین فرانسه بود، برای انجام این مطالعه همکاری کردند. 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.

مراحل بعدی

بیلینژ اکنون در حال کار بر روی سهولت استفاده از تکنیک خود برای جامعه تحقیقاتی و استفاده از آن در سایر سیستم های دارای بی نظمی دینامیکی است. در حال حاضر، این تکنیک به طور کامل در دسترس 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 حرکت لیتیوم در الکترودهای باتری گرفته تا سایر مطالعه دینامیک مانند شکافت آب با نور خورشید استفاده شود.