Najlepsze materiały stosowane w energetyce, np. używane do przekształcania promieniowania słonecznego lub ciepła resztkowego w energię elektryczną, wykorzystują fluktuacje (zmiany) ułożenia atomów w klastrach. Proces ten określany jest przez fizyków jako nieporządek dynamiczny.
Czytaj też: Fizyka kwantowa – siedem faktów, które warto znać
Zrozumienie tego zjawiska, które w świecie atomów jest dość powszechne, może przyczynić się do stworzenia bardziej energooszczędnych urządzeń, stosowanych np. w półprzewodnikach czy pompach ciepła. Materiały takie mogłyby odzyskiwać ciepło resztkowe ze spalin samochodowych czy odpadów z elektrowni i bezpośrednio przekształcać je w energię elektryczną. Teraz brzmi to jak SF, ale kto wie, co będzie w przyszłości?
Niezwykły aparat do atomowego świata
Atomy wewnątrz działających urządzeń mogą zachowywać się tak, jakby były żywe i “tańczyły”, jak określają to fizycy. Część materiału może zachowywać się w nieoczekiwany sposób, choć nieporządek dynamiczny jest trudny do badania, nie wspominając o obserwacjach. Klastry atomów nie dość, że są małe i nieuporządkowane, to jeszcze zmieniają się w czasie (fluktuują). Do tej pory nie było sposobu dostrzeżenia tego procesu na tle mniej istotnych odmian nieporządku.
Czytaj też: Chaos nadaje światu kwantowemu temperaturę
Naukowcy z Columbia Engineering i Université de Bourgogne opracowali nowy rodzaj “aparatu”, który potrafi dostrzec nieporządek dynamiczny. Jej najważniejszą cechą jest zmienny czas otwarcia migawki, bo i obserwowane klastry atomów są zmienne, sięgający nawet 1 pikosekundy.
Urządzenie ze zmienną migawką PDF lub vsPDF (od funkcji rozkładu par atomowych) nie działa jak konwencjonalna kamera czy aparat fotograficzny. Wykorzystuje neutrony ze źródła w Oak Ridge National Laboratory (ORNL) Departamentu Energii USA do pomiaru pozycji atomów z szybkością migawki około jednej pikosekundy – to milion milionów (bilion) razy szybciej niż klasyczne migawki aparatu. Szczegóły niezwykłego “aparatu” opisano w Nature Materials.
Dopiero dzięki nowemu narzędziu vsPDF możemy naprawdę zobaczyć tę stronę materiałów. Daje nam to zupełnie nowy sposób na rozplątanie zawiłości tego, co dzieje się w złożonych materiałach, ukrytych efektów, które mogą doładować ich właściwości. Dzięki tej technice będziemy mogli obserwować materiał i zobaczyć, które atomy biorą udział w tańcu, a które go przesiadują. Prof. Simon Billinge z Columbia Engineering
“Aparat” vsPDF umożliwił uczonym wykrycie symetrii atomowych łamanych w tellurku germanu (GeTe), materiale, który przekształca ciepło resztkowe w energię elektryczną. Wcześniej nie dało się zobaczyć tych przesunięć, ani pokazać dynamicznych fluktuacji i ich szybkości. W wyniku obserwacji vsPDF, fizycy opracowali nową teorię, która pokazuje jak takie lokalne fluktuacje mogą powstawać w GeTe i materiałach pokrewnych.
Zespół prof. Billinge’a pracuje nad ułatwieniem stosowania swojej techniki dla społeczności badawczej i zastosowaniem jej do innych układów z nieporządkiem dynamicznym. Na tę chwilę technika nie jest jeszcze gotowa, nawet do stosowania w warunkach laboratoryjnych.
