Kamera od bilionitog dela sekunde otkriva "ples" atoma

Najbolje digitalne kamere danas obično otvore zatvarač otprilike jednu od 4.000 delova sekunde da uhvate kadar. Za snimanje događaja na atomskoj skali potrebna je znatno veća brzina — i upravo to su istraživači pokazali 2023. godine.

Šta je vsPDF?

Istraživači su razvili tehniku pod nazivom variable shutter atomic pair distribution function (vsPDF), što se može prevesti kao "atomska funkcija raspodele parova sa promenljivim zatvaračem". Metoda postiže vreme ekspozicije reda veličine bilionitog dela sekunde (10^-12 s), odnosno oko 250 miliona puta brže od dobrih digitalnih fotoaparata. To omogućava prvi uvid u tzv. dinamički nered — kolektivne, kratkotrajne pokrete atoma koji utiču na svojstva materijala.

„Samo uz ovaj novi vsPDF alat zaista možemo videti ovu stranu materijala,” kaže Simon Billinge, naučnik za materijale sa Columbia University u New Yorku. „Uz ovu tehniku moći ćemo da posmatramo materijal i utvrdimo koji atomi učestvuju u plesu, a koji miruju.”

Kako funkcioniše — neutronska "kamera"

Za razliku od obične fotografije, vsPDF ne koristi svetlost već neutrone. Merenjem kako neutroni rasipaju i gube energiju pri prolasku kroz uzorak, istraživači mogu da konstruiraju raspored atoma u različitim vremenskim prozorima. Promene u energiji neutrona deluju kao podešavanje brzine zatvarača, pa tim može da bira „duže” ili „kraće” ekspozicije — uključujući i bilionitog dela sekunde.

Dinamički naspram statičkog nereda

Važno je razlikovati dinamički i statički nered. Statički nered predstavlja lokalno "drhtanje" ili pomeranje atoma koje je stalno prisutno i ne doprinosi nužno funkciji materijala. Dinamički nered, međutim, obuhvata kolektivne, vremenski koordinisane pomeraje koji mogu biti ključni za poboljšanje svojstava (npr. provodljivosti ili termoelektričnih karakteristika).

Studija na germanijum-teluridu (GeTe)

Tim je primenio vsPDF na germanijum-telurid (GeTe), materijal poznat po upotrebi u termoelektrici (pretvaranje toplote u struju ili obrnuto). Rezultati pokazuju da je GeTe, u proseku, kristalan pri svim temperaturama, ali da pri višim temperaturama raste udeo dinamičkog nereda. Atomi tada kolektivno razmenjuju kinetičko kretanje u toplotnu energiju duž gradijenta koji se poklapa sa smerom spontane električne polarizacije materijala.

Takvo bolje razumevanje lokalnih, vremenski zavisnih struktura može pomoći u dizajnu efikasnijih termoelektričnih materijala i uređaja — na primer sistema koji napajaju rover-e na Marsu kada nema dovoljno sunca.

Perspektiva i naredni koraci

Autori teksta u časopisu Nature Materials navode da očekuju kako bi vsPDF mogao postati standardni alat za usklađivanje lokalnih i prosečnih struktura u materijalima za energetiku. Ipak, tehnika još zahteva dodatna unapređenja i širu primenu pre nego što postane rutinska u laboratorijama.

Rad je objavljen u Nature Materials. Rana verzija teksta objavljena je u martu 2023.