Os cientistas descobriram que uma classe de materiais conhecidos para converter calor em eletricidade e vice-versa se comporta de maneira inesperada em nanoescala em resposta às mudanças de temperatura.
A descoberta - descrita na edição de 17 de dezembro, 2010, da Ciência - é um novo "sentido oposto" fase de transição que ajuda a explicar a resposta termelétricas forte destes materiais. Ele também pode ajudar os cientistas a identificar outras termelétricas útil, e poderia continuar a sua aplicação em capturar a energia perdida como calor, por exemplo, na exaustão de automóveis e fábrica.
Os cientistas - do Departamento de Energia dos EUA (DOE) Brookhaven National Laboratory, da Universidade de Columbia, Argonne National Laboratory, Los Alamos National Laboratory, da Universidade Northwestern, e do Instituto Federal Suíço de Tecnologia - estavam estudando calcogenetos de chumbo (chumbo emparelhado com telúrio, selênio , ou de enxofre), utilizando técnicas experimentais recentemente disponíveis e abordagens teóricas que lhes permitem "ver" e modelo de comportamento de átomos individuais na nanoescala, ou da ordem de bilionésimos de metro. Com essas ferramentas que eles foram capazes de observar as mudanças sutis em arranjos atômicos invisível para sondas convencionais de estrutura.
Para entender a transição de fase os cientistas observaram, pense em todos os dias a resposta de um gás, como o vapor de resfriamento para formar água líquida, e depois de congelamento para formar gelo sólido. Em cada caso, os átomos sofrem alguma forma de rearranjo estrutural, explica Simon Billinge, um físico no laboratório de Brookhaven e Escola da Universidade de Columbia de Engenharia e Ciência Aplicada e um dos principais autores sobre o papel da ciência.
"Às vezes, o resfriamento ainda vai levar a transições mais estrutural: os átomos no cristal reorganizar ou tornar-se deslocados para diminuir a simetria geral", diz Billinge. O desenvolvimento de tais distorções localizadas atômica em cima de arrefecimento é normal, diz ele. "O que descobrimos em calcogenetos chumbo é o comportamento oposto: Na temperatura mais baixa, não houve deslocamentos atômicos, nada - mas sobre o aquecimento, deslocamentos aparecer!"
As técnicas os cientistas usaram para observar essa ação em nanoescala atômicas foram high-tech versões do x-ray visão, auxiliado pela análise matemática e informática dos resultados. Primeiro os materiais de chumbo foram feitas em forma de pó purificada na Northwestern University. Então, os cientistas bombardearam as amostras com dois tipos de raios - raios-x na fonte avançada do fotão de Argonne e nêutrons no Centro de espalhamento de nêutrons Lujan em Los Alamos. Detectores de reunir informações sobre como essas vigas dispersão fora da amostra para produzir padrões de difração que indicam posições e arranjos dos átomos. Análise mais aprofundada matemática e computacional dos dados usando programas de computador desenvolvido no Brookhaven e Columbia permitiu que os cientistas de modelar e interpretar o que estava acontecendo no nível atômico em um intervalo de temperaturas.
Brookhaven físico Emil Bozin, primeiro autor no papel, foi o primeiro a notar o comportamento estranho nos dados, e ele trabalhou tenazmente a provar que era algo novo e não um artefato de dados. "Se tivéssemos apenas olhou para a estrutura média, nunca teríamos observado este efeito Nossa análise de funções de distribuição atômica par nos dá uma visão muito mais local -. A distância de um átomo em particular aos seus vizinhos mais próximos - e não apenas a média "Bozin diz. A análise detalhada revelou que, como o material ficou mais quente, essas distâncias foram mudando em uma escala pequena - cerca de 0,025 nanômetros - o que indica que os átomos individuais foram tornando-se deslocados.
Os cientistas fizeram uma animação para ilustrar o surgimento desses deslocamentos sob aquecimento. Nele, os deslocamentos são representados por setas para indicar as orientações mudança dos átomos como back flip e para trás, ou flutuar, como dipolos minúsculo.
Segundo os cientistas, é esse comportamento aleatório flipping que é a chave para a capacidade dos materiais para converter calor em eletricidade.
"Os dipolos aleatoriamente lançando impedir a circulação de calor através do material em muito a mesma maneira que é mais difícil de mover através de uma madeira desordenada do que um pomar de maçã ordenado onde as árvores são enfileiradas," Billinge diz. "Essa baixa condutividade térmica permite uma grande gradiente de temperatura deve ser mantida em toda a amostra, que é crucial para as propriedades termoelétricas."
Quando um lado do material entra em contato com o calor - por exemplo, no sistema de escape de um carro - o gradiente fará com que portadores de carga no material termoelétrico (por exemplo, os elétrons) para difundir a partir do lado quente para o lado frio. Capturar esta corrente elétrica termicamente induzida poderia colocar o "desperdício" de calor para uso.
Esta pesquisa pode ajudar os cientistas a pesquisar outros materiais termoelétricos com propriedades excepcionais, uma vez que liga a termelétrica resposta boa para a existência de dipolos flutuantes.
"Nosso próximo passo será procurar novos materiais que mostram essa transição de fase nova, e encontrar outras assinaturas estruturais para este comportamento", disse Billinge. "As novas ferramentas que nos permitem sondar estruturas nanométricas são essenciais para esta pesquisa.
"Tais estudos de materiais complexos em escala nanométrica têm a chave para muitos dos avanços tecnológicos de transformação que buscamos para resolver problemas na saúde, energia e meio ambiente."
Fonte: http://www.bnl.gov/