Gli scienziati hanno scoperto che una classe di materiali noti per convertire il calore in elettricità e viceversa si comporta in modo abbastanza inaspettato su scala nanometrica in risposta ai cambiamenti di temperatura. La scoperta - descritta nel 17 dicembre 2010, problema di Scienza - è una nuova transizione di fase in "direzione opposta" che aiuta a spiegare la forte risposta termoelettrica di questi materiali. Potrebbe anche aiutare gli scienziati a identificare altri termoelettrici utili, e potrebbero favorire la loro applicazione nel catturare l'energia persa sotto forma di calore, Per esempio, negli scarichi automobilistici e di fabbrica.

Gli scienziati - del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Università della Columbia, Laboratorio Nazionale Argonne, Laboratorio Nazionale di Los Alamos, Università nordoccidentale, e l'Istituto Federale Svizzero di Tecnologia - stavano studiando i calcogenuri di piombo (piombo accoppiato con tellurio, selenio, o zolfo) utilizzando tecniche sperimentali di nuova disponibilità e approcci teorici che consentono loro di "vedere" e modellare il comportamento dei singoli atomi su scala nanometrica, o dell'ordine dei miliardesimi di metro. Con quegli strumenti sono stati in grado di osservare sottili cambiamenti nelle disposizioni atomiche invisibili alle sonde convenzionali della struttura.

Per comprendere la transizione di fase osservata dagli scienziati, pensa alla risposta quotidiana di un gas come il raffreddamento a vapore per formare acqua liquida, e poi congelando per formare ghiaccio solido. In ogni caso, gli atomi subiscono una qualche forma di riarrangiamento strutturale, spiega Simon Billinge, fisico al Brookhaven Lab e alla School of Engineering and Applied Science della Columbia University e autore principale del Scienza carta.

"Qualche volta, un ulteriore raffreddamento porterà a ulteriori transizioni strutturali:gli atomi nel cristallo si riorganizzano o si spostano per abbassare la simmetria complessiva, " dice Billinge. Lo sviluppo di tali distorsioni atomiche localizzate al raffreddamento è normale, lui dice. "Quello che abbiamo scoperto nei calcogenuri di piombo è il comportamento opposto:alla temperatura più bassa, non c'erano spostamenti atomici, niente - ma sul riscaldamento, appaiono gli spostamenti!"

Le tecniche utilizzate dagli scienziati per osservare questa azione atomica su nanoscala erano versioni high-tech della visione a raggi X, aiutato da analisi matematiche e informatiche dei risultati. In primo luogo i materiali di piombo sono stati realizzati sotto forma di polvere purificata presso la Northwestern University. Quindi gli scienziati hanno bombardato i campioni con due tipi di fasci:raggi X presso l'Advanced Photon Source ad Argonne e neutroni presso il Lujan Neutron Scattering Center a Los Alamos. I rivelatori raccolgono informazioni su come questi raggi si disperdono dal campione per produrre schemi di diffrazione che indicano le posizioni e le disposizioni degli atomi. Ulteriori analisi matematiche e computazionali dei dati utilizzando programmi per computer sviluppati a Brookhaven e Columbia hanno permesso agli scienziati di modellare e interpretare ciò che stava accadendo a livello atomico in un intervallo di temperature.

il fisico di Brookhaven Emil Bozin, primo autore sulla carta, è stato il primo a notare lo strano comportamento nei dati, e ha lavorato tenacemente per dimostrare che era qualcosa di nuovo e non un artefatto di dati. "Se avessimo guardato solo alla struttura media, non avremmo mai osservato questo effetto. La nostra analisi delle funzioni di distribuzione di coppie atomiche ci offre una visione molto più locale - la distanza da un particolare atomo ai suoi vicini più prossimi - piuttosto che solo la media, " dice Bozin. L'analisi dettagliata ha rivelato che, man mano che il materiale si scaldava, queste distanze stavano cambiando su una scala minuscola - circa 0,025 nanometri - indicando che i singoli atomi si stavano spostando.

Gli scienziati hanno realizzato un'animazione per illustrare l'emergere di questi spostamenti durante il riscaldamento. Dentro, gli spostamenti sono rappresentati da frecce per indicare gli orientamenti mutevoli degli atomi mentre si capovolgono avanti e indietro, o fluttuare, come piccoli dipoli.

Secondo gli scienziati, è questo comportamento casuale di capovolgimento che è fondamentale per la capacità dei materiali di convertire il calore in elettricità.

"I dipoli che si capovolgono casualmente impediscono il movimento del calore attraverso il materiale più o meno allo stesso modo in cui è più difficile spostarsi in un bosco disordinato che in un ordinato meleto in cui gli alberi sono allineati in file, " dice Billinge. "Questa bassa conduttività termica consente di mantenere un ampio gradiente di temperatura attraverso il campione, che è cruciale per le proprietà termoelettriche."

Quando un lato del materiale entra in contatto con il calore, ad esempio nel sistema di scarico di un'auto - il gradiente causerà portatori di carica nel materiale termoelettrico (ad es. elettroni) per diffondere dal lato caldo a quello freddo. Catturare questa corrente elettrica indotta termicamente potrebbe utilizzare il calore "sprecato".

Questa ricerca può aiutare gli scienziati a cercare altri materiali termoelettrici con proprietà eccezionali, poiché lega la buona risposta termoelettrica all'esistenza di dipoli fluttuanti.

"Il nostro prossimo passo sarà la ricerca di nuovi materiali che mostrino questa nuova fase di transizione, e trovare altre firme strutturali per questo comportamento, " Billinge ha detto. "I nuovi strumenti che ci consentono di sondare le strutture su scala nanometrica sono essenziali per questa ricerca.

"Tali studi su materiali complessi su scala nanometrica sono la chiave per molte delle scoperte tecnologiche trasformative che cerchiamo di risolvere i problemi energetici, Salute, e l'ambiente».