Saniyenin Trilyonda Biri Enstantane Hızına Sahip Kamera Kaosu Yakalıyor

saniyenin trilyonda biri enstantane hizina sahip kamera kaosu yakaliyor
Düşük deklanşör hızlarında GeTE'nin atomik yapısı düzenli ancak bulanık görünüyor. Daha hızlı pozlamalar, dinamik yer değiştirmelerin net ve karmaşık bir modelini ortaya çıkarıyor. Kredi: Jill Hemman/ORNL, ABD Enerji Bakanlığı

Saniyenin trilyonda biri enstantane hızına sahip yeni “Kamera” atomların dinamik düzensizliğini görmemizi sağlıyor. Bir kamera deklanşörünü bir milyon kez hızlandırmak, araştırmacıların malzemelerin ısıyı nasıl hareket ettirdiğini anlamalarını sağlar ve sürdürülebilir enerji uygulamalarını ilerletmede önemli bir adımdır.

Araştırmacılar, güneş ışığını veya atık ısıyı elektriğe dönüştürmek gibi sürdürülebilir enerji uygulamalarında en iyi performans gösteren malzemelerin, genellikle çok daha büyük bir yapı içindeki atom kümelerinin kolektif dalgalanmalarını kullandığını anlamaya başladılar. Bu süreç genellikle “dinamik düzensizlik” olarak adlandırılır.

Dinamik düzensizlik

Malzemelerdeki dinamik düzensizliğin anlaşılması, katı hal buzdolapları ve ısı pompaları gibi daha enerji verimli termoelektrik cihazlara ve ayrıca araba egzozları ve elektrik santrali egzozları gibi atık ısıdan yararlı enerjinin doğrudan elektriğe dönüştürülerek daha iyi geri kazanılmasına yol açabilir. Termoelektrik bir cihaz, yeterli güneş ışığı olmadığında Mars Rover’a güç sağlamak için radyoaktif plütonyumdan ısıyı alıp elektriğe dönüştürebilmiştir.

Malzemeler çalışan bir cihazın içinde işlev gördüklerinde, sanki canlıymış ve dans ediyorlarmış gibi davranabilirler – malzemenin parçaları şaşırtıcı ve beklenmedik şekillerde tepki verir ve değişir. Bu dinamik düzensizliği incelemek zordur çünkü kümeler sadece çok küçük ve düzensiz olmakla kalmaz, aynı zamanda zaman içinde dalgalanırlar. Buna ek olarak, malzemelerde araştırmacıların ilgilenmediği “sıkıcı” dalgalanmayan düzensizlik vardır çünkü düzensizlik özellikleri iyileştirmez. Şimdiye kadar, daha az ilgili statik düzensizliğin arka planından ilgili dinamik düzensizliği görmek imkansızdı.

Yeni “kamera” yaklaşık 1 pikosaniye gibi inanılmaz yüksek bir deklanşör hızına sahip

Atomik Yapıların “Nötron” Kamera ile Ortaya Çıkarılması. Kredi: Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı

Columbia Engineering ve Université de Bourgogne’daki araştırmacılar, yerel düzensizliği görebilen yeni bir tür “kamera” geliştirdiklerini bildirdiler. Kameranın en önemli özelliği değişken deklanşör hızı: düzensiz atom kümeleri hareket ettiğinden, ekip yavaş bir deklanşör kullandığında dinamik düzensizlik bulanıklaşıyor, ancak hızlı bir deklanşör kullandıklarında bunu görebiliyorlar.

Değişken enstantane PDF veya vsPDF (atomik çift dağılım fonksiyonu için) olarak adlandırdıkları yeni yöntem, geleneksel bir kamera gibi çalışmıyor- atomik konumları yaklaşık bir pikosaniye veya normal kamera enstantanelerinden bir trilyon kat daha hızlı bir enstantane hızıyla ölçmek için ABD Enerji Bakanlığı’nın Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndaki (ORNL) bir kaynaktan gelen nötronları kullanıyor. Çalışma 20 Şubat 2023’te Nature Materials tarafından yayımlandı.

Malzeme bilimi ve uygulamalı fizik ve uygulamalı matematik profesörü Simon Billinge, “Sadece bu yeni vsPDF aracıyla malzemelerin bu yönünü gerçekten görebiliyoruz” dedi. “Karmaşık malzemelerde olup bitenlerin karmaşıklığını, özelliklerini güçlendirebilecek gizli etkileri çözmek için bize yepyeni bir yol sunuyor. Bu teknikle, bir malzemeyi izleyebilecek ve hangi atomların dansın içinde hangilerinin dışında kaldığını görebileceğiz.”

Yerel dalgalanmaları dengeleme ve atık ısıyı elektriğe dönüştürme üzerine yeni teori

vsPDF aracı, araştırmacıların atık ısıyı elektriğe (veya elektriği soğutmaya) dönüştüren termoelektrik için önemli bir malzeme olan GeTe’de kırılan atomik simetrileri bulmalarını sağladı. Daha önce yer değiştirmeleri görememişler ya da dinamik dalgalanmaları ve ne kadar hızlı dalgalandıklarını gösterememişlerdi. vsPDF’den elde edilen bilgiler sonucunda ekip, GeTe ve ilgili malzemelerde bu tür yerel dalgalanmaların nasıl oluşabileceğini gösteren yeni bir teori geliştirdi. Dansın böylesine mekanik bir şekilde anlaşılması, araştırmacıların bu etkilere sahip yeni malzemeler aramasına ve etkiyi etkilemek için dış kuvvetler uygulamasına yardımcı olacak ve daha da iyi malzemelere yol açacaktır.

Araştırma Ekibi

Billlinge bu çalışmayı, çalışma sırasında Fransa’daki Bourgogne Üniversitesi’nde bulunan Simon Kimber ile birlikte yürütmüştür. Billinge ve Kimber, ORNL ve yine DOE tarafından finanse edilen Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndaki (ANL) meslektaşlarıyla birlikte çalıştı. vsPDF kamera için elastik olmayan nötron saçılma ölçümleri ORNL’de; teori ise ANL’de yapılmıştır.

Sonraki Adımlar

Billinge şimdi tekniğini araştırma topluluğu için daha kolay kullanılır hale getirmek ve dinamik düzensizliğe sahip diğer sistemlere uygulamak için çalışıyor. Teknik şu anda anahtar teslimi değil, ancak daha fazla geliştirmeyle, pil elektrotlarında hareket eden lityumun izlenmesinden güneş ışığıyla su bölünmesi sırasında dinamik süreçlerin incelenmesine kadar atomik dinamiklerin önemli olduğu birçok malzeme sisteminde kullanılabilecek çok daha standart bir ölçüm haline gelmelidir.

Kaynak:

İlk yorum yapan olun

Bir yanıt bırakın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.


*