Innovazioni nella Fotografia Scientifica
Nel campo della fotografia scientifica, le fotocamere digitali più avanzate hanno raggiunto velocità di scatto incredibili, capaci di aprire l’otturatore in un tempo di circa un quattromilionesimo di secondo. Tuttavia, per catturare eventi a livello atomico, è necessaria una velocità di scatto ben superiore. Nel 2023, un team di scienziati ha compiuto un progresso straordinario, sviluppando un sistema di otturatore in grado di operare in un intervallo di tempo di appena un trilionesimo di secondo. Questo risultato supera di oltre 250 milioni di volte la velocità delle fotocamere digitali tradizionali, aprendo nuove possibilità per l’osservazione di fenomeni cruciali nella scienza dei materiali, come il disordine dinamico.
Comprendere il Disordine Dinamico
Il disordine dinamico è un fenomeno che descrive il movimento coordinato di gruppi di atomi all’interno di un materiale, attivato da stimoli come vibrazioni o variazioni di temperatura. Sebbene la comprensione di questo fenomeno sia ancora in fase di sviluppo, esso gioca un ruolo fondamentale nel determinare le proprietà fisiche e le reazioni chimiche dei materiali. Grazie al nuovo sistema di otturatore, i ricercatori possono ottenere una visione dettagliata di come avviene questo disordine. Simon Billinge, scienziato dei materiali presso la Columbia University di New York, ha evidenziato l’importanza di questa invenzione, nota come funzione di distribuzione delle coppie atomiche a otturatore variabile, o vsPDF. Questo strumento consente di osservare quali atomi partecipano attivamente al movimento e quali rimangono fermi, fornendo un’istantanea più precisa del comportamento atomico nel tempo.
La Velocità dell’Otturatore e la Cattura di Eventi Rapidi
La velocità dell’otturatore è cruciale per catturare eventi rapidi, come le vibrazioni atomiche. Un’analogia utile è quella di una fotografia scattata durante una partita sportiva: utilizzando una bassa velocità dell’otturatore, i giocatori apparirebbero sfocati, mentre una velocità elevata permetterebbe di congelare l’azione in un’immagine nitida. Per raggiungere questa straordinaria velocità di un trilionesimo di secondo, il sistema vsPDF utilizza neutroni per misurare la posizione degli atomi, piuttosto che le tecniche fotografiche tradizionali. I neutroni interagiscono con il materiale in modo tale da consentire di tracciare la posizione degli atomi circostanti, con variazioni nei livelli di energia che corrispondono a modifiche nella velocità dell’otturatore. Queste variazioni sono fondamentali per distinguere il disordine dinamico dal disordine statico, che rappresenta il normale movimento di vibrazione degli atomi, non necessariamente utile per migliorare le proprietà di un materiale.
NASA
Applicazioni del Sistema vsPDF nel Tellururo di Germanio
I ricercatori hanno applicato questa innovativa tecnologia a un materiale noto come tellururo di germanio (GeTe), ampiamente utilizzato per la sua capacità di convertire il calore di scarto in elettricità e viceversa. Le osservazioni effettuate con la camera a neutroni hanno rivelato che il GeTe mantiene una struttura cristallina a tutte le temperature, ma a temperature elevate ha mostrato un aumento del disordine dinamico. In questo stato, gli atomi scambiano energia termica seguendo un gradiente che si allinea con la direzione della polarizzazione elettrica spontanea del materiale. Comprendere meglio queste strutture fisiche è essenziale per migliorare la nostra conoscenza dei materiali termoelettrici, aprendo la strada allo sviluppo di tecnologie più avanzate, come quelle utilizzate per alimentare i rover su Marte in assenza di luce solare.
Prospettive Future e Sviluppi nella Ricerca Scientifica
Attraverso modelli basati sulle osservazioni ottenute con il nuovo sistema, la comprensione scientifica di questi materiali e dei processi che li governano può essere notevolmente ampliata. Tuttavia, i ricercatori avvertono che c’è ancora molto lavoro da fare affinché il vsPDF diventi un metodo standardizzato per le analisi. “Ci aspettiamo che la tecnica vsPDF diventi uno strumento fondamentale per riconciliare le strutture locali e medie nei materiali energetici”, hanno dichiarato nel loro articolo, pubblicato su Nature Materials. Una versione preliminare di questo studio era già stata diffusa nel marzo 2023, segnando un importante passo avanti nella ricerca scientifica.
