Strukturelle forvrængninger opstår fra ingenting på nanoskalaen

Forskere har opdaget, at en klasse af materialer, der vides at omdanne varme til elektricitet og omvendt, opfører sig ganske uventet på nanoskala som reaktion på temperaturændringer. Opdagelsen - beskrevet i den 17. december, 2010, spørgsmål af Videnskab - er en ny "modsat retning" faseovergang, der hjælper med at forklare disse materialers stærke termoelektriske respons. Det kan også hjælpe videnskabsmænd med at identificere andre nyttige termoelektriske stoffer, og kunne fremme deres anvendelse til at opfange energi tabt som varme, for eksempel, i bilindustrien og fabriksudstødningen.

Forskerne - fra det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory, Columbia University, Argonne National Laboratory, Los Alamos National Laboratory, Northwestern University, og det schweiziske føderale teknologiske institut - studerede bly chalcogenider (bly parret med tellur, selen, eller svovl) ved hjælp af nyligt tilgængelige eksperimentelle teknikker og teoretiske tilgange, der giver dem mulighed for at "se" og modellere individuelle atomers adfærd på nanoskala, eller i størrelsesordenen milliardtedele af en meter. Med disse værktøjer var de i stand til at observere subtile ændringer i atomarrangementer, der var usynlige for konventionelle struktursonder.

For at forstå faseovergangen, som forskerne observerede, tænk på den daglige reaktion af en gas som dampkøling for at danne flydende vand, og derefter fryse til fast is. I hvert tilfælde, atomerne gennemgår en form for strukturel omlejring, forklarer Simon Billinge, en fysiker ved Brookhaven Lab og Columbia University's School of Engineering and Applied Science og en hovedforfatter på Videnskab papir.

"Sommetider, yderligere afkøling vil føre til yderligere strukturelle overgange:Atomer i krystallen omarrangeres eller bliver forskudt for at sænke den overordnede symmetri, " siger Billinge. Udviklingen af ​​sådanne lokaliserede atomare forvrængninger ved afkøling er normal, han siger. "Det, vi opdagede i bly-chalcogenider, er den modsatte adfærd:Ved den allerlaveste temperatur, der var ingen atomare forskydninger, intet - men ved opvarmning, forskydninger vises!"

De teknikker, som forskerne brugte til at observere denne atomare handling på nanoskala, var højteknologiske versioner af røntgensyn, hjulpet af matematisk og computeranalyse af resultaterne. Først blev blymaterialerne fremstillet i en renset pulverform ved Northwestern University. Derefter bombarderede forskerne prøverne med to slags stråler - røntgenstråler ved Advanced Photon Source i Argonne og neutroner ved Lujan Neutron Scattering Center i Los Alamos. Detektorer indsamler information om, hvordan disse stråler spredes fra prøven for at producere diffraktionsmønstre, der angiver positioner og arrangementer af atomerne. Yderligere matematisk og beregningsmæssig analyse af dataene ved hjælp af computerprogrammer udviklet i Brookhaven og Columbia gjorde det muligt for forskerne at modellere og fortolke, hvad der skete på atomniveau over en række temperaturer.

Brookhaven fysiker Emil Bozin, første forfatter på papiret, var den første til at bemærke den mærkelige adfærd i dataene, og han arbejdede ihærdigt for at bevise, at det var noget nyt og ikke en dataartefakt. "Hvis vi bare havde set på den gennemsnitlige struktur, vi ville aldrig have observeret denne effekt. Vores analyse af atomparfordelingsfunktioner giver os et meget mere lokalt syn - afstanden fra et bestemt atom til dets nærmeste naboer - snarere end blot gennemsnittet, " siger Bozin. Den detaljerede analyse afslørede, at efterhånden som materialet blev varmere, disse afstande ændrede sig i en lille skala - omkring 0,025 nanometer - hvilket indikerer, at individuelle atomer var ved at blive forskudt.

Forskerne har lavet en animation for at illustrere fremkomsten af ​​disse forskydninger ved opvarmning. I det, forskydningerne er repræsenteret af pile for at angive atomernes skiftende orienteringer, når de vender frem og tilbage, eller svinge, som små dipoler.

Ifølge forskerne, det er denne tilfældige vendeadfærd, der er nøglen til materialernes evne til at omdanne varme til elektricitet.

"De tilfældigt vendende dipoler hindrer varmebevægelsen gennem materialet på samme måde, som det er sværere at bevæge sig gennem en uordnet skov end en velordnet æbleplantage, hvor træerne er opstillet i rækker, " siger Billinge. "Denne lave termiske ledningsevne gør det muligt at opretholde en stor temperaturgradient over prøven, som er afgørende for de termoelektriske egenskaber."

Når den ene side af materialet kommer i kontakt med varme - for eksempel, i en bils udstødningssystem - gradienten vil forårsage ladningsbærere i det termoelektriske materiale (f.eks. elektroner) til at diffundere fra den varme side til den kolde side. Indfangning af denne termisk inducerede elektriske strøm kunne bruge "spildvarmen".

Denne forskning kan hjælpe forskere med at søge efter andre termoelektriske materialer med exceptionelle egenskaber, da det forbinder den gode termoelektriske respons til eksistensen af ​​fluktuerende dipoler.

"Vores næste skridt vil være at søge efter nye materialer, der viser denne nye faseovergang, og finde andre strukturelle signaturer for denne adfærd, " sagde Billinge. "De nye værktøjer, der giver os mulighed for at undersøge nanoskalastrukturer, er afgørende for denne forskning.

"Sådanne undersøgelser af komplekse materialer på nanoskala har nøglen til mange af de transformative teknologiske gennembrud, vi søger for at løse problemer inden for energi, sundhed, og miljøet."