Wetenschappers hebben ontdekt dat een klasse materialen waarvan bekend is dat ze warmte omzetten in elektriciteit en vice versa, zich op nanoschaal nogal onverwacht gedraagt ​​als reactie op temperatuurveranderingen. De ontdekking - beschreven in de 17 december, 2010, probleem van Wetenschap - is een nieuwe "tegengestelde richting" faseovergang die de sterke thermo-elektrische respons van deze materialen helpt verklaren. Het kan wetenschappers ook helpen bij het identificeren van andere bruikbare thermo-elektrische materialen, en zou hun toepassing kunnen bevorderen bij het opvangen van energie die verloren gaat als warmte, bijvoorbeeld, in auto- en fabrieksuitlaatgassen.

De wetenschappers - van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, Universiteit van Colombia, Argonne Nationaal Laboratorium, Los Alamos Nationaal Laboratorium, Noordwestelijke Universiteit, en het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie - bestudeerden loodchalcogeniden (lood gecombineerd met tellurium, selenium, of zwavel) met behulp van nieuw beschikbare experimentele technieken en theoretische benaderingen waarmee ze het gedrag van individuele atomen op nanoschaal kunnen "zien" en modelleren, of in de orde van miljardsten van een meter. Met die instrumenten waren ze in staat om subtiele veranderingen in atomaire rangschikkingen waar te nemen die onzichtbaar zijn voor conventionele structuursondes.

Om de faseovergang te begrijpen die de wetenschappers hebben waargenomen, denk aan de dagelijkse reactie van een gas zoals stoomkoeling om vloeibaar water te vormen, en vervolgens bevriezen om vast ijs te vormen. In ieder geval, de atomen ondergaan een vorm van structurele herschikking, legt Simon Billinge uit, een natuurkundige bij Brookhaven Lab en Columbia University's School of Engineering and Applied Science en een hoofdauteur van de Wetenschap papier.

"Soms, verdere afkoeling zal leiden tot verdere structurele overgangen:atomen in het kristal herschikken of worden verplaatst om de algehele symmetrie te verlagen, ", zegt Billinge. De ontwikkeling van dergelijke gelokaliseerde atomaire vervormingen bij afkoeling is normaal, hij zegt. "Wat we ontdekten in loodchalcogeniden is het tegenovergestelde gedrag:bij de allerlaagste temperatuur, er waren geen atomaire verplaatsingen, niets - behalve bij opwarming, verplaatsingen verschijnen!"

De technieken die de wetenschappers gebruikten om deze atomaire actie op nanoschaal te observeren, waren hightech versies van röntgenzicht, geholpen door wiskundige en computeranalyse van de resultaten. Eerst werden de loodmaterialen gemaakt in een gezuiverde poedervorm aan de Northwestern University. Vervolgens bombardeerden de wetenschappers de monsters met twee soorten bundels:röntgenstralen bij de Advanced Photon Source in Argonne en neutronen bij het Lujan Neutron Scattering Center in Los Alamos. Detectors verzamelen informatie over hoe deze bundels van het monster verstrooien om diffractiepatronen te produceren die posities en rangschikkingen van de atomen aangeven. Verdere wiskundige en computationele analyse van de gegevens met behulp van computerprogramma's die zijn ontwikkeld in Brookhaven en Columbia, stelden de wetenschappers in staat om te modelleren en te interpreteren wat er op atomair niveau gebeurde bij een reeks temperaturen.

Brookhaven-fysicus Emil Bozin, eerste auteur op het papier, was de eerste die het vreemde gedrag in de gegevens opmerkte, en hij werkte hardnekkig om te bewijzen dat het iets nieuws was en geen gegevensartefact. "Als we gewoon naar de gemiddelde structuur hadden gekeken, we zouden dit effect nooit hebben waargenomen. Onze analyse van de verdelingsfuncties van atomaire paren geeft ons een veel meer lokaal beeld - de afstand van een bepaald atoom tot zijn naaste buren - in plaats van alleen het gemiddelde, " zegt Bozin. Uit de gedetailleerde analyse bleek dat, naarmate het materiaal warmer werd, deze afstanden veranderden op kleine schaal - ongeveer 0,025 nanometer - wat aangeeft dat individuele atomen verplaatst werden.

De wetenschappers hebben een animatie gemaakt om het ontstaan ​​van deze verplaatsingen bij verhitting te illustreren. In het, de verplaatsingen worden weergegeven door pijlen om de veranderende oriëntaties van de atomen aan te geven terwijl ze heen en weer klappen, of fluctueren, als kleine dipolen.

Volgens de wetenschappers het is dit willekeurige flipgedrag dat de sleutel is tot het vermogen van de materialen om warmte om te zetten in elektriciteit.

"De willekeurig draaiende dipolen belemmeren de beweging van warmte door het materiaal op vrijwel dezelfde manier dat het moeilijker is om door een wanordelijk bos te bewegen dan een ordelijke appelboomgaard waar de bomen in rijen staan ​​opgesteld, " zegt Billinge. "Deze lage thermische geleidbaarheid maakt het mogelijk een grote temperatuurgradiënt over het monster te handhaven, wat cruciaal is voor de thermo-elektrische eigenschappen."

Wanneer een kant van het materiaal in contact komt met warmte - zeg, in het uitlaatsysteem van een auto - de gradiënt veroorzaakt ladingsdragers in het thermo-elektrische materiaal (bijv. elektronen) om van de warme kant naar de koude kant te diffunderen. Door deze thermisch geïnduceerde elektrische stroom op te vangen, kan de "afvalwarmte" worden gebruikt.

Dit onderzoek kan wetenschappers helpen bij het zoeken naar andere thermo-elektrische materialen met uitzonderlijke eigenschappen, omdat het de goede thermo-elektrische respons koppelt aan het bestaan ​​van fluctuerende dipolen.

"Onze volgende stap is het zoeken naar nieuwe materialen die deze nieuwe faseovergang laten zien, en het vinden van andere structurele kenmerken voor dit gedrag, " zei Billinge. "De nieuwe tools waarmee we structuren op nanoschaal kunnen onderzoeken, zijn essentieel voor dit onderzoek.

"Dergelijke studies van complexe materialen op nanoschaal vormen de sleutel tot veel van de transformatieve technologische doorbraken die we zoeken om problemen op het gebied van energie op te lossen, Gezondheid, en het milieu."