Una cámara de un billón de segundos captura el desorden en acción: ScienceAlert

Para hacer una foto, las mejores cámaras digitales del mercado abren el obturador durante aproximadamente una cuatromilésima de segundo.

Para fotografiar la actividad atómica, necesitará un obturador que haga clic más rápido.

Con eso en mente, los científicos han revelado una forma de lograr una velocidad de obturación de solo una billonésima de segundo, o 250 millones de veces más rápida que la de las cámaras digitales. Esto le permite capturar algo muy importante en la ciencia de los materiales: la turbulencia dinámica.

En pocas palabras, sucede cuando grupos de átomos en un material se mueven y bailan de cierta manera durante un cierto período de tiempo, por ejemplo, debido a la vibración o un cambio de temperatura. No es un fenómeno que entendamos completamente todavía, pero es importante para las propiedades e interacciones de los materiales.

El nuevo sistema de velocidad de obturación ultrarrápida, presentado en marzo de este año, nos brinda aún más información sobre lo que sucede con la turbulencia dinámica. Los investigadores se refieren a su invención como la función de distribución variable del par atómico del obturador, o vsPDF para abreviar.

“Solo con esta nueva herramienta vsPDF podemos realmente ver este lado del material”. Él dijo El científico de materiales Simon Billinge de la Universidad de Columbia en Nueva York.

“Con esta tecnología, podremos observar un material y ver qué átomos están bailando y cuáles no”.

Una velocidad de obturación más rápida captura una toma de tiempo más precisa, lo que ayuda a los objetos que se mueven rápidamente, como los átomos que vibran rápidamente. Use una velocidad de obturación baja en una foto de un juego deportivo, por ejemplo, y terminará con jugadores borrosos en el cuadro.

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Ilustración que muestra la estructura atómica de GeTE a velocidades de obturación más lentas (izquierda) y más rápidas (derecha). (Jill Heyman/ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.)

Para lograr una instantánea increíblemente rápida, vsPDF utiliza neutrones para medir la posición de los átomos, en lugar de las técnicas de imagen tradicionales. Se puede rastrear la forma en que los neutrones golpean y atraviesan la materia para medir los átomos circundantes, con cambios en los niveles de energía equivalentes a los ajustes de la velocidad del obturador.

Estas diferencias en la velocidad de obturación son significativas, además de la velocidad de obturación de la billonésima de segundo: son vitales para distinguir la turbulencia dinámica de la turbulencia estática relacionada y diferente: el fondo natural que vibra en el lugar de los átomos desnudos. Mejorar la funcionalidad del material.

“Nos brinda una forma completamente nueva de desentrañar las complejidades de lo que sucede en los materiales complejos y las influencias sutiles que pueden aumentar sus propiedades”. Él dijo Facturas.

En este caso, los investigadores enfocaron su cámara de neutrones en un material llamado Telururo de germanio (GeTe), que se utiliza ampliamente debido a sus propiedades especiales para convertir el calor residual en electricidad o la electricidad en refrigeración.

La cámara reveló que GeTe permaneció como un cristal, en el centro, a todas las temperaturas. Pero a temperaturas más altas, mostró un desorden más dinámico, ya que los átomos intercambiaron movimiento en energía térmica siguiendo un gradiente que coincide con la dirección de la polarización eléctrica espontánea del material.

Una mejor comprensión de estas estructuras físicas mejora nuestro conocimiento de cómo funciona la termoeléctrica, lo que nos permite desarrollar mejores materiales y equipos, como instrumentos que alimentan a los rovers de Marte cuando la luz del sol no está disponible.

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A través de modelos basados ​​en observaciones capturadas por la nueva cámara, se puede mejorar la comprensión científica de estos materiales y procesos. Sin embargo, todavía queda mucho trabajo por hacer para preparar vsPDF para que sea un método de prueba ampliamente utilizado.

“Esperamos que la tecnología vsPDF descrita aquí se convierta en una herramienta estándar para reconciliar estructuras locales e intermedias en materiales energéticos”, dicen los investigadores. para explicar en su papel.

Investigación publicada en materiales de la naturaleza.

Una versión anterior de este artículo se publicó en marzo de 2023.

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