Para tomar una fotografía, las mejores cámaras digitales del mercado abren su obturador alrededor de una cuatromilésima de segundo. Para tomar una instantánea de la actividad atómica, necesitarías un obturador que haga clic mucho más rápido.
Con eso en mente, los científicos han desvelado una forma de lograr una velocidad de obturación de tan solo 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.
En pocas palabras, es cuando los grupos de átomos se mueven y bailan en un material de maneras específicas durante un período determinado, por ejemplo, provocados por una vibración o un cambio de temperatura. No es un fenómeno que entendamos completamente todavía, pero es crucial para las propiedades y reacciones de los materiales.
El nuevo sistema de velocidad de obturación ultrarrápida, presentado en marzo de este año, nos da una idea mucho más clara de lo que sucede con el desorden dinámico. Los investigadores se refieren a su invención como función de distribución de par atómico de obturador variable, o vsPDF para abreviar.
“Solo con esta nueva herramienta vsPDF podemos 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 el baile y cuáles no”.
Una velocidad de obturación más rápida captura una instantánea más precisa del tiempo, lo que es útil para objetos que se mueven rápidamente, como átomos que se mueven rápidamente. Use una velocidad de obturación baja en una foto de un juego de deportes, por ejemplo, y terminará con jugadores borrosos en el cuadro.
Para lograr su instantánea asombrosamente rápida, vsPDF utiliza neutrones para medir la posición de los átomos, en lugar de las técnicas de fotografía convencionales. Se puede rastrear la forma en que los neutrones golpean y pasan a través de un material para medir los átomos circundantes, con cambios en los niveles de energía equivalentes a los ajustes de la velocidad del obturador.
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 moviéndose en el lugar de los átomos que no mejoran la función de un material.
“Nos brinda una forma completamente nueva de desentrañar las complejidades de lo que sucede en los materiales complejos, los 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 el GeTe permaneció estructurado como un cristal, en promedio, a todas las temperaturas. Pero a temperaturas más altas mostró un desorden más dinámico, donde los átomos intercambiaron movimiento en energía térmica siguiendo un gradiente que coincide con la dirección de la polarización eléctrica espontánea del material. Una mejor comprensión de 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 a los rovers de Marte cuando la luz del sol no está disponible.
A través de modelos basados en observaciones capturadas 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.
“Anticipamos que la técnica vsPDF descrita aquí se convertirá en una herramienta estándar para reconciliar estructuras locales y promedio en materiales energéticos”, explicaron los investigadores en su artículo.
La investigación fue publicada en Nature Materials.
Nota de la fuente: una versión anterior de este artículo se publicó en marzo de 2023.
Fuente: Science Alert.
