Questa immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) ad alta risoluzione di BaTiS 3 cristalli è ricoperto da illustrazioni che mostrano l'orientamento dei singoli atomi nel cristallo. Nonostante la perfezione atomica del cristallo, è inaspettatamente povero nel trasportare l'energia termica. Attestazione:Caltech/USC/ORNL
Il solido cristallino BaTiS 3 (solfuro di titanio di bario) è terribile nel condurre il calore, e si scopre che la colpa è di un atomo di titanio ribelle che esiste in due posti contemporaneamente.
La scoperta, realizzato da ricercatori del Caltech, USC, e l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'energia, è stato pubblicato il 27 novembre sulla rivista Comunicazioni sulla natura . Fornisce una visione fondamentale a livello atomico di un'insolita proprietà termica che è stata osservata in diversi materiali. Il lavoro è di particolare interesse per i ricercatori che stanno esplorando il potenziale uso di solidi cristallini con scarsa conducibilità termica in applicazioni termoelettriche, in cui il calore viene convertito direttamente in energia elettrica e viceversa.
"Abbiamo scoperto che gli effetti della meccanica quantistica possono svolgere un ruolo enorme nell'impostazione delle proprietà di trasporto termico dei materiali anche in condizioni familiari come la temperatura ambiente, "dice Austin Minnich, professore di ingegneria meccanica e fisica applicata al Caltech e co-autore corrispondente del Comunicazioni sulla natura carta.
I cristalli di solito sono bravi a condurre il calore. Per definizione, la loro struttura atomica è altamente organizzata, che consente alle vibrazioni atomiche, al calore, di fluire attraverso di loro come un'onda. Bicchieri, d'altra parte, sono terribili nel condurre il calore. La loro struttura interna è disordinata e casuale, il che significa che le vibrazioni invece saltano da un atomo all'altro mentre passano attraverso.
BaTiS 3 appartiene a una classe di materiali chiamati calcogenuri legati alla perovskite. Jayakanth Ravichandran, un assistente professore nel dipartimento di ingegneria chimica e scienza dei materiali della famiglia Mork di USC Viterbi, e il suo team li hanno studiati per le loro proprietà ottiche e recentemente hanno iniziato a studiare le loro applicazioni termoelettriche.
"Avevamo la sensazione che BaTiS 3 avrà una bassa conduttività termica, ma il valore era inaspettatamente basso. Il nostro studio mostra un nuovo meccanismo per ottenere una bassa conduttività termica, quindi la prossima domanda è se gli elettroni nel sistema scorrono senza soluzione di continuità a differenza del calore per ottenere buone proprietà termoelettriche, "dice Ravichandran.
Il team ha scoperto che BaTiS 3 , insieme a molti altri solidi cristallini, possedeva una conduttività termica "simile al vetro". Non solo la sua conducibilità termica è paragonabile a quella dei vetri disordinati, in realtà peggiora con l'abbassamento della temperatura, che è l'opposto della maggior parte dei materiali. Infatti, la sua conduttività termica a temperature criogeniche è tra le peggiori mai osservate in qualsiasi solido completamente denso (non poroso).
Il team ha scoperto che l'atomo di titanio in ciascun cristallo BaTiS3 esiste in quello che è noto come potenziale a doppio pozzo, ovvero ci sono due posizioni spaziali nella struttura atomica in cui l'atomo vuole essere. L'atomo di titanio presente in due luoghi contemporaneamente dà origine a quello che è noto come un "sistema a due livelli". In questo caso, l'atomo di titanio ha due stati:uno stato fondamentale e uno stato eccitato. Le vibrazioni atomiche di passaggio vengono assorbite dall'atomo di titanio, che va dal suolo allo stato eccitato, poi decade rapidamente allo stato fondamentale. L'energia assorbita viene emessa sotto forma di vibrazione e in una direzione casuale.
L'effetto complessivo di questo assorbimento ed emissione di vibrazioni è che l'energia viene dispersa piuttosto che trasferita in modo pulito. Un'analogia sarebbe far brillare una luce attraverso un vetro smerigliato, con gli atomi di titanio come il gelo; le onde in arrivo si deviano dal titanio, e solo una parte si fa strada attraverso il materiale.
Da tempo si sa che esistono sistemi a due livelli, ma questa è la prima osservazione diretta di una che è stata sufficiente per interrompere la conduzione termica in un materiale monocristallino in un intervallo di temperatura esteso, misurato qui tra 50 e 500 Kelvin.
I ricercatori hanno osservato l'effetto bombardando BaTiS 3 cristalli con neutroni in un processo noto come diffusione anelastica utilizzando la Spallation Neutron Source all'ORNL. Quando passano attraverso i cristalli, i neutroni acquistano o perdono energia. Ciò indica che in alcuni casi l'energia viene assorbita da un sistema a due livelli e in altri gli viene impartita.
"Ci è voluto un vero lavoro investigativo per risolvere questo mistero sulla struttura e la dinamica degli atomi di titanio. All'inizio sembrava che gli atomi fossero solo posizionalmente disordinati, ma la superficialità del pozzo potenziale significava che non potevano rimanere nelle loro posizioni per molto tempo, "dice Michael Manley, ricercatore senior presso ORNL e co-autore corrispondente del Comunicazioni sulla natura carta. Fu allora che Raphael Hermann, ricercatore presso ORNL, suggerito di fare calcoli quantistici per il doppio pozzo. "Che gli atomi possono scavare tunnel è ben noto, Certo, ma non ci aspettavamo di vederlo a una frequenza così alta con un atomo così grande in un cristallo. Ma la meccanica quantistica è chiara:se la barriera tra i pozzi è abbastanza piccola, quindi tale tunneling ad alta frequenza è effettivamente possibile e dovrebbe comportare una forte diffusione dei fononi e quindi una conduttività termica simile al vetro, "dice Manley.
L'approccio convenzionale alla creazione di solidi cristallini con bassa conduttività termica consiste nel creare molti difetti in quei solidi, che è dannoso per altre proprietà come la conduttività elettrica. Così, un metodo per progettare materiali cristallini a bassa conduttività termica senza alcun danno alle proprietà elettriche e ottiche è altamente desiderabile per le applicazioni termoelettriche. Una piccola manciata di solidi cristallini mostra la stessa scarsa conduttività termica, quindi il team ha in programma di esplorare se questo fenomeno è da biasimare anche in quei materiali.
