Afdækning af atombevægelser i krystal

Forskere kan bruge lang tid i heftige debatter om små detaljer - f.eks. hvordan og om atomer i en krystal bevæger sig ved opvarmning, derved ændre symmetrien. Brug af computersimuleringer til mineral bly tellurid på CSCS supercomputer Piz Daint, ETH-forskere har løst en mangeårig kontrovers.

Til udenforstående, videnskabelige spørgsmål kan nogle gange ligne hårspaltning. Disse spørgsmål, imidlertid, er ofte afgørende, som i materialevidenskaben:kommerciel brug af et materiale står eller falder på dets egenskaber. Et spørgsmål, der i høj grad afhænger af sådan hårkløvning, er det, Boris Sangiorgio forfulgte i sin doktorafhandling. I ETH professor Nicola Spaldins forskningsgruppe ved Institute of Materials Theory, Sangiorgio brugte supercomputeren Piz Daint til at undersøge, hvordan blytellurid (PbTe) opfører sig, når det varmer op. Blytellurid fremstår i naturen som altait, et sulfosaltmineral. Altaite kan omdanne varmeenergi til elektrisk energi, hvilket betyder, at den har termoelektriske egenskaber.

Mars rover bevæger sig ved hjælp af bly telluride

Termoelektriske materialer blev populære i rumfart i 1960'erne, og forbliver i udbredt brug i dag; for eksempel, en termoelektrisk generator lavet af bly -tellurid driver Mars rover Curiosity siden 2012.

For cirka syv år siden, imidlertid, en undersøgelse om blytellurid antændte en strid mellem materialeforskere. Dengang, forskere kom til den konklusion, at når blytellurid opvarmes, fænomenet emphanisis opstår. Enkelt sagt, opvarmning får blyatomerne til at forskyde lokalt i krystallen, reducere lokal symmetri. Tidligere har kun den omvendte proces havde været kendt:opvarmning forårsagede en stigning i symmetri.

Emphanisis forblev dårligt forstået, indtil Spaldins team undersøgte dette fænomen i bly -tellurid ved hjælp af supercomputeren. Simuleringerne viser, at når mineralet opvarmes, symmetrien brydes lokalt. Imidlertid, når krystallen ses som en helhed, den originale kubiske symmetri bevares.

For rigtige eksperimenter med mineralet, forskerne arbejdede i samarbejde med forskere på røntgenplatformen i Department of Materials på ETH og brugte en røntgenspredningsteknik, der gav høj præcision synlighed af atomkrystalstrukturen. Resultaterne fra disse forsøg svarede meget tæt på dem fra simuleringen, derved bekræfter simuleringsresultaterne. Forskerne kunne derefter gå et skridt videre i simuleringerne end i eksperimentet og opdage, hvad der lå bag emphanisis -processen i blytellurid.

Nyt fænomen

Simuleringerne viser, at opvarmning af krystallen fører til stærke akustiske og optiske vibrationer. Disse vibrationer overlapper og er koblet sammen, som frembringer et fænomen, der aldrig er blevet observeret før:på grund af de koblede vibrationer, korrelerede dipoler dannes i krystallen, med par Pb- og Te -atomer både svingende og orienterende i henhold til deres ladninger. "Set som en helhed, imidlertid, atomer er stadig i en meget symmetrisk position, "siger Sangiorgio. Den globale symmetri bevares. Forskerne formoder, at denne proces er afgørende for blytellurids termoelektriske adfærd. Det kan også være sandt for andre materialer (såkaldt ferroelektrisk), at, som blytellurid, er tæt på en ferroelektrisk faseovergang.

"Funktionen af ​​blytellurid er sandsynligvis baseret på en følsom balance mellem elektroniske og strukturelle egenskaber, "siger Sangiorgio. At forstå den lokale struktur og dynamik i blytellurid er afgørende for forskere at forklare materialets adfærd. Disse fund vil hjælpe dem med at skabe eller finde mere effektive termoelektriske materialer i fremtiden. Termoelektriske materialer er ikke kun af interesse for rumfart forskning; de kunne også bidrage til mere effektiv udnyttelse af spildvarme fra forbrændingsanlæg eller biler i elproduktion.