vsPDF capta desordem dinâmica em materiais com obturador de um trilionésimo de segundo

As melhores câmaras digitais disponíveis hoje em dia abrem o obturador durante cerca de 1/4000 de segundo para fazer uma fotografia.

Para registar atividade atómica, porém, seria necessário um obturador muito mais rápido.

Foi com isso em mente que, em 2023, cientistas apresentaram uma forma de alcançar uma velocidade de obturação de apenas um trilionésimo de segundo - 250 milhões de vezes mais rápida do que a das câmaras digitais. Este salto permite captar algo particularmente relevante na ciência dos materiais: a desordem dinâmica.

Veja o vídeo abaixo para uma síntese do que foi observado:

De forma simples, a desordem dinâmica acontece quando grupos de átomos se movem e “dançam” dentro de um material segundo padrões específicos ao longo de um determinado intervalo de tempo - desencadeados, por exemplo, por uma vibração ou por uma alteração de temperatura. Ainda não é um fenómeno totalmente compreendido, mas é determinante para as propriedades e as reações dos materiais.

Porque é importante a desordem dinâmica

Este sistema com velocidade de obturação ultraelevada permite perceber muito melhor o que se passa durante a desordem dinâmica. Os investigadores chamam à sua invenção "variable shutter atomic pair distribution function", ou vsPDF.

"It's only with this new vsPDF tool that we can really see this side of materials," disse o cientista de materiais Simon Billinge, da Universidade de Columbia, em Nova Iorque.

"With this technique, we'll be able to watch a material and see which atoms are in the dance and which are sitting it out."

Em geral, quanto mais rápida for a velocidade de obturação, mais “fina” é a fatia de tempo capturada - o que é útil quando o alvo se move depressa, como acontece com átomos a tremer rapidamente. Numa fotografia a um jogo desportivo, por exemplo, se usar uma velocidade de obturação baixa, os jogadores ficam desfocados.

Como funciona a vsPDF (variable shutter atomic pair distribution function)

Para conseguir uma captação tão rápida, a vsPDF recorre a neutrões para medir a posição dos átomos, em vez de técnicas fotográficas convencionais. É possível acompanhar a forma como os neutrões atingem e atravessam um material e, a partir daí, inferir os átomos à volta; as alterações nos níveis de energia correspondem a ajustes equivalentes à velocidade do obturador.

Estas variações de velocidade de obturação são tão importantes quanto o valor extremo de um trilionésimo de segundo: são essenciais para distinguir a desordem dinâmica de um fenómeno relacionado, mas diferente - a desordem estática, isto é, a agitação “de fundo” de átomos a vibrar no lugar e que não melhora a função de um material.

"It gives us a whole new way to untangle the complexities of what is going on in complex materials, hidden effects that can supercharge their properties," afirmou Billinge.

O que a câmara de neutrões viu no germanium telluride (GeTe)

Neste trabalho, a equipa apontou a sua câmara de neutrões a um material chamado germanium telluride (GeTe), que, devido a características específicas, é muito utilizado para converter calor desperdiçado em eletricidade - ou eletricidade em arrefecimento.

A câmara mostrou que o GeTe se manteve, em média, estruturado como um cristal, em todas as temperaturas. Contudo, a temperaturas mais elevadas, apresentou mais desordem dinâmica: os átomos trocavam movimento por energia térmica segundo um gradiente que coincide com a direção da polarização elétrica espontânea do material.

Compreender melhor estas estruturas físicas reforça o conhecimento sobre o funcionamento dos materiais termoelétricos, o que ajuda a desenvolver materiais e equipamentos mais eficientes - como os instrumentos que alimentam os rovers de Marte quando não há luz solar.

Modelação e próximos passos para a vsPDF

Através de modelos construídos com base nas observações registadas por esta nova câmara, é possível melhorar a compreensão científica destes materiais e processos. Ainda assim, falta trabalho para que a vsPDF esteja pronta a tornar-se um método de teste amplamente utilizado.

"We anticipate that the vsPDF technique described here will become a standard tool for reconciling local and average structures in energy materials," explicaram os investigadores no artigo.

A investigação foi publicada na Nature Materials.

Uma versão anterior deste artigo foi publicada em março de 2023.