Gli scienziati possono trascorrere molto tempo in accesi dibattiti su piccoli dettagli, ad esempio come e se gli atomi in un cristallo si muovono quando vengono riscaldati, alterando così la simmetria. Utilizzando simulazioni al computer per il tellururo di piombo minerale sul supercomputer CSCS Piz Daint, I ricercatori dell'ETH hanno risolto una controversia di vecchia data.

Agli estranei, le domande scientifiche a volte possono sembrare spaccate. Queste domande, però, sono spesso determinanti, come nella scienza dei materiali:l'uso commerciale di un materiale sta o cade sulle sue proprietà. Una questione che dipende molto da una tale spaccatura è quella che Boris Sangiorgio ha perseguito nella sua tesi di dottorato. Nel gruppo di ricerca del Professor Nicola Spaldin dell'ETH presso l'Istituto di Teoria dei Materiali, Sangiorgio ha utilizzato il supercomputer Piz Daint per esaminare come si comporta il tellururo di piombo (PbTe) quando si riscalda. Il tellururo di piombo appare in natura come altaite, un minerale solfosale. Altaite può convertire l'energia termica in energia elettrica, il che significa che ha proprietà termoelettriche.

Il rover su Marte si muove usando il tellururo di piombo

I materiali termoelettrici sono diventati popolari nel settore aerospaziale negli anni '60, e rimangono oggi in uso diffuso; Per esempio, un generatore termoelettrico in tellururo di piombo alimenta il rover su Marte Curiosity dal 2012.

Circa sette anni fa, però, uno studio sul tellururo di piombo ha acceso una disputa tra gli scienziati dei materiali. Allora, i ricercatori sono giunti alla conclusione che quando il tellururo di piombo viene riscaldato, si verifica il fenomeno dell'enfanisi. In parole povere, il riscaldamento fa sì che gli atomi di piombo si spostino localmente nel cristallo, riduzione della simmetria locale. In precedenza, era noto solo il processo inverso:il riscaldamento provocava un aumento della simmetria.

L'enfanisi è rimasta poco compresa fino a quando il team di Spaldin ha esaminato questo fenomeno nel tellururo di piombo utilizzando il supercomputer. Le simulazioni mostrano che quando il minerale viene riscaldato, la simmetria è rotta localmente. Però, quando il cristallo è visto nel suo insieme, viene mantenuta la simmetria cubica originale.

Per veri esperimenti con il minerale, gli scienziati hanno lavorato in collaborazione con i ricercatori della piattaforma a raggi X nel Dipartimento dei materiali dell'ETH e hanno utilizzato una tecnica di diffusione dei raggi X che ha fornito una visibilità ad alta precisione della struttura del cristallo atomico. I risultati di queste prove corrispondevano molto da vicino a quelli della simulazione, confermando così i risultati della simulazione. I ricercatori sono stati quindi in grado di fare un passo avanti nelle simulazioni rispetto all'esperimento e scoprire cosa c'era dietro il processo di enfanisi nel tellururo di piombo.

Nuovo fenomeno

Le simulazioni mostrano che il riscaldamento del cristallo porta a forti vibrazioni acustiche e ottiche. Queste vibrazioni si sovrappongono e si accoppiano tra loro, che produce un fenomeno mai osservato prima:a causa delle vibrazioni accoppiate, dipoli correlati si formano nel cristallo, con coppie di atomi di Pb e Te entrambi fluttuanti e orientati secondo le loro cariche. "Vista nel suo insieme, però, gli atomi sono ancora in una posizione altamente simmetrica, " dice Sangiorgio. La simmetria globale viene mantenuta. I ricercatori sospettano che questo processo sia essenziale per il comportamento termoelettrico del tellururo di piombo. Potrebbe essere vero anche per altri materiali (i cosiddetti ferroelettrici) che, come il tellururo di piombo, sono vicini a una transizione di fase ferroelettrica.

"La funzionalità del tellururo di piombo è probabilmente basata su un delicato equilibrio tra proprietà elettroniche e strutturali, " dice Sangiorgio. Comprendere la struttura locale e le dinamiche del tellururo di piombo è essenziale per gli scienziati per spiegare il comportamento del materiale. Questi risultati li aiuteranno a creare o trovare materiali termoelettrici più efficienti in futuro. I materiali termoelettrici non sono di interesse solo nel settore aerospaziale ricerca; potrebbero anche aiutare a fare un uso più efficiente del calore di scarto degli impianti di incenerimento o delle automobili nella produzione di elettricità.