Para ilmuwan telah menemukan bahwa kelas bahan yang dikenal untuk mengubah panas menjadi listrik dan sebaliknya berperilaku tak terduga pada skala nano dalam menanggapi perubahan suhu.
Penemuan - dijelaskan dalam edisi Desember 17, 2010, Ilmu - adalah baru "berlawanan-arah" fase transisi yang membantu menjelaskan respon thermoelectric yang kuat dari bahan tersebut. Hal ini juga dapat membantu para ilmuwan mengidentifikasi thermoelectrics berguna lainnya, dan bisa lebih aplikasi mereka dalam menangkap energi hilang sebagai panas, misalnya, knalpot otomotif dan pabrik.
Para ilmuwan - dari US Department of Energy (DOE) Brookhaven National Laboratory, Universitas Columbia, Argonne National Laboratory, Los Alamos National Laboratory, Northwestern University, dan Federal Swiss Institut Teknologi - sedang belajar chalcogenides memimpin (memimpin dipasangkan dengan telurium, selenium , atau belerang) menggunakan teknik eksperimental baru yang tersedia dan pendekatan teoretis yang memungkinkan mereka untuk "melihat" dan perilaku model atom individu pada skala nano, atau atas perintah billionths meter. Dengan alat tersebut mereka mampu mengamati perubahan halus dalam pengaturan atom tak terlihat probe konvensional struktur.
Untuk memahami fase transisi para ilmuwan mengamati, memikirkan respon sehari-hari dari gas seperti uap pendingin untuk membentuk air cair, dan kemudian membeku membentuk es yang padat. Dalam setiap kasus, atom mengalami beberapa bentuk penataan struktural, Simon menjelaskan Billinge, seorang ahli fisika di Brookhaven Lab dan Sekolah Universitas Columbia Teknik dan Sains Terapan dan penulis utama pada kertas Science.
"Kadang-kadang, pendinginan lebih lanjut akan menyebabkan transisi lebih struktural: Atom dalam kristal mengatur ulang atau menjadi pengungsi untuk menurunkan simetri secara keseluruhan," kata Billinge. Pengembangan seperti distorsi atom lokal pada pendinginan adalah normal, katanya. "Apa yang kami temukan pada chalcogenides memimpin adalah perilaku sebaliknya: Pada suhu yang sangat rendah, tidak ada perpindahan atom, tidak ada - tetapi pada pemanasan, perpindahan muncul!"
Teknik-teknik yang digunakan para ilmuwan untuk mengamati tindakan atom nano adalah teknologi tinggi versi x-ray visi, dibantu oleh analisis matematis dan komputer hasil. Pertama bahan utama dibuat dalam bentuk bubuk dimurnikan di Northwestern University. Kemudian para ilmuwan dibombardir sampel dengan dua macam balok - x-ray di Advanced Photon Source di Argonne dan neutron di Pusat Neutron Hamburan Lujan di Los Alamos. Detektor mengumpulkan informasi tentang bagaimana menyebarkan balok dari sampel untuk menghasilkan pola difraksi yang menunjukkan posisi dan pengaturan dari atom. Analisis lebih lanjut matematika dan komputasi data menggunakan program komputer yang dikembangkan di Brookhaven dan Columbia memungkinkan para ilmuwan untuk model dan menafsirkan apa yang terjadi pada tingkat atom pada rentang suhu.
Brookhaven fisikawan Emil Bozin, penulis pertama di atas kertas, adalah yang pertama untuk melihat perilaku aneh pada data, dan dia bekerja gigih untuk membuktikan itu adalah sesuatu yang baru dan bukan artefak data. "Jika kita baru saja melihat struktur rata-rata, kita tidak akan pernah mengamati efek ini Analisis kami dari fungsi distribusi pasangan atom memberikan kita pandangan yang lebih lokal -. Jarak dari satu atom tertentu untuk tetangga terdekat - bukan hanya rata-rata , "kata Bozin. Analisis rinci menunjukkan bahwa, sebagai bahan mendapat lebih hangat, jarak ini sedang berubah pada skala kecil - sekitar 0,025 nanometer - yang menunjukkan bahwa atom individu menjadi pengungsi.
Para ilmuwan telah membuat animasi untuk menggambarkan munculnya pemindahan ini pada saat pemanasan. Di dalamnya, perpindahan diwakili oleh panah untuk menunjukkan perubahan orientasi atom ketika mereka flip bolak-balik, atau berfluktuasi, seperti dipol kecil.
Menurut para ilmuwan, itu adalah perilaku membalik acak yang merupakan kunci untuk kemampuan bahan 'untuk mengubah panas menjadi listrik.
"Para dipol secara acak membalik menghambat gerakan panas melalui materi dalam banyak cara yang sama bahwa lebih sulit untuk bergerak melalui sebuah hutan yang teratur dari sebuah kebun apel yang teratur di mana pohon-pohon yang berbaris dalam barisan," kata Billinge. "Ini konduktivitas termal rendah memungkinkan gradien suhu yang besar untuk dipertahankan di seluruh sampel, yang sangat penting untuk sifat termoelektrik."
Ketika satu sisi materi datang dalam kontak dengan panas - mengatakan, dalam sistem knalpot mobil - gradien akan menyebabkan pembawa muatan dalam bahan termoelektrik (misalnya, elektron) untuk berdifusi dari sisi ke sisi panas dingin. Menangkap ini disebabkan arus listrik termal bisa menempatkan "limbah" panas untuk digunakan.