“الكاميرا” الثورية بسرعة غالق تبلغ 1 تريليون من الثانية تكشف العالم الخفي للديناميكيات الذرية
إن تسريع غالق الكاميرا مليون مرة يمكّن الباحثين من فهم كيفية تحريك المواد للحرارة وهي خطوة رئيسية في تطوير تطبيقات الطاقة المستدامة.
أدرك الباحثون أن أفضل المواد أداءً في تطبيقات الطاقة المستدامة، مثل تحويل ضوء الشمس أو الحرارة المهدرة إلى كهرباء، غالبًا ما تستخدم التقلبات الجماعية لمجموعات الذرات داخل بنية أكبر بكثير.
غالبًا ما يشار إلى هذه العملية باسم “الاضطراب الديناميكي”.
اضطراب ديناميكي
يمكن أن يؤدي فهم الاضطراب الديناميكي في المواد إلى أجهزة كهروحرارية أكثر كفاءة في استخدام الطاقة، مثل ثلاجات الحالة الصلبة ومضخات الحرارة، وأيضًا إلى تحسين استعادة الطاقة المفيدة من الحرارة المهدرة، مثل عوادم السيارات وعوادم محطات الطاقة، عن طريق تحويلها مباشرة للكهرباء.
كان الجهاز الكهروحراري قادرًا على أخذ الحرارة من البلوتونيوم المشع وتحويله إلى كهرباء لتشغيل المركبة المريخية عندما لا يكون هناك ما يكفي من ضوء الشمس.
عندما تعمل المواد داخل جهاز تشغيل، يمكن أن تتصرف كما لو كانت حية وترقص – أجزاء من المادة تستجيب وتتغير بطرق مذهلة وغير متوقعة.
يصعب دراسة هذا الاضطراب الديناميكي لأن المجموعات ليست صغيرة جدًا ومضطربة فحسب، بل إنها تتقلب بمرور الوقت أيضًا.
بالإضافة إلى ذلك، هناك اضطراب “ممل” غير متقلب في المواد التي لا يهتم بها الباحثون لأن الاضطراب لا يحسن الخصائص. حتى الآن، كان من المستحيل رؤية الاضطراب الديناميكي ذي الصلة من خلفية اضطراب ثابت أقل صلة.
الكشف عن الهياكل الذرية بكاميرا “نيوترونية”. الائتمان: مختبر أوك ريدج الوطني
تتميز “الكاميرا” الجديدة بسرعة غالق فائقة السرعة تبلغ حوالي 1 بيكو ثانية
أفاد باحثون في جامعة كولومبيا للهندسة وجامعة بورغوني أنهم طوروا نوعًا جديدًا من “الكاميرات” التي يمكنها رؤية الاضطراب المحلي.
ميزتها الرئيسية هي سرعة الغالق المتغيرة: نظرًا لأن المجموعات الذرية المضطربة تتحرك، عندما استخدم الفريق مصراعًا بطيئًا، فإن الاضطراب الديناميكي غير واضح، ولكن عندما استخدموا مصراعًا سريعًا، يمكنهم رؤيته.
الطريقة الجديدة، التي يسمونها PDF أو vsPDF (لوظيفة توزيع الزوج الذري)، لا تعمل مثل الكاميرا التقليدية – فهي تستخدم النيوترونات من مصدر في وزارة الطاقة الأمريكية مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL) لقياس المواقع الذرية بسرعة غالق تبلغ حوالي بيكو ثانية، أو مليون (تريليون) مرة أسرع من مصاريع الكاميرا العادية.
نُشرت الدراسة في 20 فبراير 2023 في مجلة Nature Materials .
قال سايمون بيلينج ، أستاذ علوم المواد والفيزياء التطبيقية والرياضيات التطبيقية: “فقط باستخدام أداة vsPDF الجديدة هذه يمكننا حقًا رؤية هذا الجانب من المواد”.
“إنه يعطينا طريقة جديدة تمامًا لفك تشابك تعقيدات ما يحدث في المواد المعقدة، والتأثيرات الخفية التي يمكن أن تزيد من خصائصها. باستخدام هذه التقنية، سنكون قادرين على مشاهدة مادة ما ومعرفة الذرات الموجودة في الرقص وأيها يجلس خارجها “.
نظرية جديدة حول تثبيت التقلبات المحلية وتحويل الحرارة المهدورة إلى كهرباء
مكنت أداة vsPDF الباحثين من العثور على تناظرات ذرية يتم كسرها في GeTe ، وهي مادة مهمة للكهرباء الحرارية التي تحول الحرارة المهدرة إلى كهرباء (أو الكهرباء إلى تبريد).
لم يكونوا قادرين في السابق على رؤية عمليات النزوح، أو إظهار التقلبات الديناميكية ومدى سرعة تقلبها.
نتيجة للرؤى من vsPDF ، طور الفريق نظرية جديدة توضح فقط كيف يمكن أن تتشكل مثل هذه التقلبات المحلية في GeTe والمواد ذات الصلة. سيساعد هذا الفهم الآلي للرقص الباحثين على البحث عن مواد جديدة بهذه التأثيرات وتطبيق قوى خارجية للتأثير على التأثير، مما يؤدي إلى مواد أفضل.
فريق البحث
شارك بيللينج في قيادة هذا العمل مع سايمون كيمبر ، الذي كان في جامعة بورجوني في فرنسا وقت الدراسة. عمل بيلينج وكيمبر مع زملائهما في ORNL ومختبر أرجون الوطني (ANL)، الممول أيضًا من وزارة الطاقة.
تم إجراء قياسات تشتت النيوترونات غير المرنة لكاميرا vsPDF في ORNL؛ تم إجراء النظرية في ANL.
المصدر: scitechdaily
شاهد ايضا:
