Struktura materiálu GeTe s dlouhou (vlevo) a krátkou (vpravo) expozicí. Kredit: Jill Hemman/ORNL, U.S. Dept. of Energy.

Kvalitní digitální fotoaparát zvládne expozici kolem 1/250 sekundy. Pokud ale chcete „vyfotit“ aktivitu atomů, potřebujete ještě mnohem rychlejší závěrku. Simon Kimber z Université Bourgogne Franche-Comté a jeho kolegové nedávno vyvinuli postup, který mohou pořídit snímky s expozicí jedné biliontiny sekundy. Díky tomu mohli zachytit specifické pohyby atomů v materiálu (dynamic disorder).

Simon Kimber. Kredit: ORNL.

Jde o to, že se v materiálu za určitých podmínek atomy pohybují specifickým způsobem. Například kvůli vibracím nebo při změně teploty. Tento jev je zásadní pro vlastnosti a chování materiálů, především pokud jde o materiály s komplexní strukturou, ale stále mu příliš nerozumíme. V jeho výzkumu teď sehraje zásadní roli uvedená technologie, která jako první dokáže potřebným způsobem zachytit pohyby atomů v materiálu.

Tvůrci tomu říkají variable shutter atomic pair distribution function, čili vsPDF.

Logo. Kredit: Université Bourgogne Franche-Comté.

Vyfotit pohybující se atomy není snadné. Technologie vsPDF nepoužívá konvenční fotografické postupy. Namísto toho spoléhá na neutrony a detekuje jejich pohyb materiálem. Zároveň umožňuje odlišit obvyklé kmitání atomů v materiálu (static disorder), které probíhá neustále a nemá valný vliv na funkci materiálu.

Badatelé svůj neutronový „fotoaparát“ otestovali na pozoruhodném telluridu germania, čili GeTe. Ten má velmi zajímavé vlastnosti, díky nimž se využívá při přeměně odpadního tepla na elektřinu anebo elektřiny na chlad.

Neutronové snímky prozradily, že GeTe si v podstatě udržuje krystalickou strukturu za všech teplot. Za vyšších teplot ale jeho atomy vykazují více „dynamické neuspořádanosti“ (dynamic disorder), přičemž dochází k přeměně jejich pohybu na termální energii podle gradientu, který odpovídá směru spontánní elektrické polarizace materiálu GeTe.

Vývoj a hlavně využití neutronového „fotoaparátu“ vsPDF je teprve v počátcích. Materiáloví vědci ale očekávají velké věci, pokud jde o pochopení jevů, které se odehrávají v netradičních materiálech.

Video: Simon KIMBER - Chemistry beyond the crystal, solution phase structure through X-ray scattering

Literatura

Science Alert 19. 8. 2023.

Nature Materials 22: 311–315.