A tudományos áttörés: az atomok táncának lefotózása egy billiomod másodperc alatt
A legjobb digitális fényképezőgépek ma már a legnagyobb sebességgel is csupán körülbelül négyezer-ötszázad másodperc alatt képesek „nyitni” a zárat, hogy elkészítsenek egy képet. De ha atomreakciókat szeretnénk lefotózni, akkor egy sokkal gyorsabb zárra van szükség.
2023-ban a tudósok bejelentettek egy áttörést: sikerült elérniük egy olyan zársebességet, amely mindössze egy billiomod másodperces időintervallumot jelent – ez körülbelül 250 milliószor gyorsabb, mint a leggyorsabb digitális fényképezőgépek. Ez az új zársebesség lehetővé teszi az anyagtudomány egyik fontos jelenségének, a dinamikus rendetlenség (dynamic disorder) megfigyelését.
Mi is az a dinamikus rendetlenség?
A dinamikus rendetlenség az, amikor az atomok klaszterei különleges módon mozognak és táncolnak egy anyagon belül, például rezgés vagy hőmérséklet-változás hatására. Bár ezt a jelenséget még nem teljesen értjük, rendkívül fontos szerepe van az anyagok tulajdonságaiban és reakcióiban.
A tudósok által kifejlesztett új zársebesség segítségével sokkal részletesebben megfigyelhetjük ezt a dinamikus rendetlenséget. Az új módszert „változó zársebességű atompáros eloszlási függvénynek” (vsPDF) nevezik.
„Csak ezzel az új vsPDF eszközzel láthatjuk meg igazán az anyagok ezen oldalát” – mondta Simon Billinge, a Columbia Egyetem anyagtudós professzora.
A gyors zársebesség szerepe a pontos mérésekben
A gyors zársebesség lehetővé teszi, hogy pontosabb pillanatfelvételeket készítsünk az idő gyorsan mozgó objektumairól, mint például az atomok. Ha egy sporteseményt fényképezünk alacsony zársebességgel, a játékosok elmosódottan jelennek meg a képen. Az atomok esetében azonban a gyors zársebesség kritikus a dinamikus rendetlenség megkülönböztetésében a statikus rendetlenségtől – attól a normál rezgéstől, amely nem befolyásolja az anyagok funkcióját.
A neutronos fényképezés és az atomok helyzetének mérése
A vsPDF módszer az atomok helyzetének mérésére nem a hagyományos fényképezési technikákat, hanem a neutronokat használja. A neutronok áthaladnak az anyagon, és ennek alapján meg lehet határozni az atomok helyzetét. A neutronok energiaállapotának változása pedig egyenértékű a zársebesség beállításával.
Ez a fejlesztés kulcsfontosságú a dinamikus rendetlenség megértésében, mivel lehetővé teszi, hogy a kutatók pontosan megkülönböztessék az atomok mozgását a normál rezgéstől, ami alapvető fontosságú az anyagok működésének és reakcióinak megértésében.
A németium-tellurid (GeTe) anyag elemzése
A kutatók egy konkrét anyagot, a németium-telluridet (GeTe) vizsgálták, amelynek különleges tulajdonságai miatt széles körben használják hulladékhő elektromossággá történő átalakítására, illetve elektromosság hűtésre. A neutronos fényképezőgép azt mutatta, hogy a GeTe kristályszerkezete alapvetően változatlan maradt minden hőmérsékleten, azonban magasabb hőmérsékleteken dinamikus rendetlenséget mutatott, amikor az atomok mozgása hőenergiává alakult.
Ezek az új megfigyelések hozzájárulnak a termoelektromos anyagok működésének jobb megértéséhez, ami segíthet jobb anyagok és eszközök kifejlesztésében – például olyan eszközökében, amelyek a Mars-járókat működtetik, amikor a napsütés nem elérhető.
A jövő technológiája
A kutatók azt remélik, hogy a vsPDF technikát az energiával kapcsolatos anyagok vizsgálatánál standard eszközként fogják alkalmazni. A kutatás a Nature Materials folyóiratban jelent meg, és az új módszer nemcsak a dinamikus rendetlenség megértését, hanem az anyagok tulajdonságainak fejlesztését is lehetővé teszi.
A tudományos közösség számára ez egy újabb mérföldkő az anyagtudomány fejlődésében, és jó példa arra, hogy milyen irányban fejlődhetnek a jövő technológiái a gyors, atomos szintű mérési módszerek alkalmazásával.
Forrás: sciencealert.com
A legfrissebb tudományos cikkek
