Para tomar una fotografía, las mejores cámaras digitales del mercado abren el obturador durante aproximadamente una cuatro milésima de segundo.
Para capturar la actividad atómica, necesitarías un obturador que haga clic mucho más rápido.
Teniendo esto en cuenta, los científicos dieron a conocer en 2023 una forma de lograr una velocidad de obturación de apenas una billonésima de segundo, o 250 millones de veces más rápida que la de esas cámaras digitales. Eso lo hace capaz de capturar algo muy importante en la ciencia de los materiales: el desorden dinámico.
Mire el vídeo a continuación para obtener un resumen de lo que encontraron:
En pocas palabras, es cuando grupos de átomos se mueven y bailan en un material de maneras específicas durante un período determinado, provocado por una vibración o un cambio de temperatura, por ejemplo. No es un fenómeno que entendamos completamente todavía, pero es crucial para las propiedades y reacciones de los materiales.
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El sistema de velocidad de obturación súper rápida nos brinda mucha más información sobre lo que sucede con el desorden dinámico. Los investigadores se refieren a su invención como “función de distribución de pares atómicos de obturador variable”, o vsPDF para abreviar.
“Sólo con esta nueva herramienta vsPDF podremos realmente ver este lado de los materiales”, dijo el científico de materiales Simon Billinge de la Universidad de Columbia en Nueva York.
“Con esta técnica, podremos observar un material y ver qué átomos están en la danza y cuáles no”.
Una velocidad de obturación más rápida captura una instantánea más precisa del tiempo, lo que resulta útil para objetos que se mueven rápidamente, como átomos que se mueven rápidamente. Utilice una velocidad de obturación baja en la fotografía de un juego de deportes, por ejemplo, y terminará con jugadores borrosos en el encuadre.
Para lograr una captura sorprendentemente rápida, vsPDF utiliza neutrones para medir la posición de los átomos, en lugar de técnicas fotográficas convencionales. La forma en que los neutrones golpean y atraviesan un material se puede rastrear para medir los átomos circundantes, con cambios en los niveles de energía equivalentes a ajustes de la velocidad de obturación.
Esas variaciones en la velocidad de obturación son significativas, así como la velocidad de obturación de una billonésima de segundo: son vitales para distinguir el desorden dinámico del desorden estático relacionado pero diferente: el fondo normal que se mueve en el lugar de los átomos que no mejoran la función de un material.
“Nos brinda una forma completamente nueva de desenredar las complejidades de lo que sucede en materiales complejos, efectos ocultos que pueden potenciar sus propiedades”, dijo Billinge.
En este caso, los investigadores enfocaron su cámara de neutrones en un material llamado telururo de germanio (GeTe), que, debido a sus propiedades particulares, se usa ampliamente para convertir el calor residual en electricidad o la electricidad en refrigeración.
La cámara reveló que GeTe permaneció estructurado como un cristal, de término medio, a todas las temperaturas. Pero a temperaturas más altas, mostraba un desorden más dinámico, donde los átomos intercambiaban movimiento en energía térmica siguiendo un gradiente que coincide con la dirección de la polarización eléctrica espontánea del material.
Comprender mejor estas estructuras físicas mejora nuestro conocimiento de cómo funciona la termoeléctrica, lo que nos permite desarrollar mejores materiales y equipos, como los instrumentos que alimentan los vehículos exploradores de Marte cuando no hay luz solar disponible.
A través de modelos basados en observaciones captadas por la nueva cámara se puede mejorar la comprensión científica de estos materiales y procesos. Sin embargo, todavía queda mucho trabajo por hacer para que vsPDF esté listo para ser un método de prueba ampliamente utilizado.
“Prevemos que la técnica vsPDF descrita aquí se convertirá en una herramienta estándar para conciliar estructuras locales y promedio en materiales energéticos”, explicaron los investigadores en su artículo.
La investigación fue publicada en Nature Materials.
Una versión anterior de este artículo se publicó en marzo de 2023.