将相机快门速度加快万亿次可以让研究人员了解材料如何传递热量，并且是推进可持续能源应用的重要一步。
在低速快门下，GeTE 的原子结构看起来有序但模糊。更快的曝光揭示了动态位移的清晰复杂模式。图片来源：Jill Hemman/ORNL，美国能源部
将相机快门速度加快万亿次可以让研究人员了解材料如何传递热量，并且是推进可持续能源应用的重要一步。研究人员逐渐了解到，在可持续能源应用（例如将阳光或废热转化为电能）中性能最好的材料通常使用更大结构中原子团簇的集体波动。这个过程通常被称为“动态障碍”。
动力障碍
了解材料中的动态无序可能会制造更节能的热电设备，例如固态冰箱和热泵，并且还可以通过直接转换废热（例如汽车尾气和电站尾气）更好地回收有用能量到电。当没有足够的阳光时，热电装置能够从放射性钚中吸收热量并将其转化为电能为火星探测器提供动力。
当材料在操作设备中发挥作用时，它们的行为就好像它们是有生命的和在跳舞一样——材料的某些部分以惊人和意想不到的方式做出反应和变化。这种动态无序很难研究，因为星团不仅很小而且无序，而且它们还会随时间波动。此外，研究人员不感兴趣的材料中存在“无聊”的非波动紊乱，因为这种紊乱不会改善性能。直到现在，还不可能从不太相关的静态障碍的背景中看到相关的动态障碍。
用“中子”相机揭示原子结构。图片来源：橡树岭国家实验室
新“相机”的快门速度快得令人难以置信，约为 1 皮秒
哥伦比亚工程学院和勃艮第大学的研究人员报告说，他们已经开发出一种新型“相机”，可以看到当地的混乱情况。它的关键特征是可变快门速度：因为无序的原子团在移动，当团队使用慢快门时，动态无序模糊了，但当他们使用快速快门时，他们可以看到它。他们称之为可变快门 PDF 或 vsPDF（用于原子对分布函数）的新方法不像传统相机那样工作——它使用美国能源部来源的中子橡树岭国家实验室 (ORNL) 以大约一皮秒的快门速度测量原子位置，或者比普通相机快门快一百万（一万亿）倍。该研究于 2023 年 2 月 20 日发表在《自然材料》杂志上。
“只有使用这个新的 vsPDF 工具，我们才能真正看到材料的这一面，”材料科学与应用物理学和应用数学教授 Simon Billinge 说。“它为我们提供了一种全新的方法来解开复杂材料中正在发生的事情的复杂性，以及可以增强其性能的隐藏效应。有了这种技术，我们将能够观察一种材料，看看哪些原子在跳舞，哪些原子在阻止它。”
稳定局地波动余热发电新理论
vsPDF 工具使研究人员能够发现 GeTe 中的原子对称性被破坏，GeTe 是一种重要的热电材料，可将废热转化为电能（或将电能转化为冷却）。他们以前无法看到位移，也无法显示动态波动以及波动的速度。由于 vsPDF 的见解，该团队开发了一种新理论，展示了这种局部波动是如何在 GeTe 和相关材料中形成的。这种对舞蹈的机械理解将有助于研究人员寻找具有这些效果的新材料，并施加外力来影响效果，从而产生更好的材料。
研究团队
Billinge 与 Simon Kimber 共同领导这项工作，Simon Kimber 在研究期间正在法国勃艮第大学工作。Billinge 和 Kimber 与ORNL和同样由 DOE 资助的阿贡国家实验室 ( ANL )的同事合作。vsPDF 相机的非弹性中子散射测量是在 ORNL 进行的；该理论是在 ANL 完成的。
下一步
Billinge 现在正致力于使他的技术更易于为研究界使用，并将其应用于其他具有动态障碍的系统。目前，这项技术还不是交钥匙的，但随着进一步的发展，它应该成为一种更加标准的测量方法，可以用于原子动力学很重要的许多材料系统，从观察锂在电池电极中移动到研究动态在阳光下分解水的过程。
参考：Simon AJ Kimber、Jiayong Zhang、Charles H. Liang、Gian G. Guzmán-Verri、Peter B. Littlewood、Yongqiang Cheng、Douglas L. Abernathy、Jessica M. Hudspeth 的“动态晶体学揭示立方 GeTe 中的自发各向异性”， Zhong-Zhen Luo、Mercouri G. Kanatzidis、Tapan Chatterji、Anibal J. Ramirez-Cuesta 和 Simon JL Billinge，2023 年 2 月 20 日，Nature Materials。
DOI: 10.1038/s41563-023-01483-7
作者：Simon AJ Kimber，Batiment Sciences Mirande；张家勇，橡树岭国家实验室；Charles H. Liang，芝加哥大学；Gian G. Guzman-Verri，哥斯达黎加大学；Peter B. Littlewood，芝加哥大学阿贡国家实验室；Yongqiang Cheng，橡树岭国家实验室；Douglas L. Abernathy，橡树岭国家实验室；Jessica M. Hudspeth，ESRF，欧洲同步加速器；Zhong-Zhen Luo，西北大学；Mercouri G. Kanatzidis，西北大学；Tapan Chatterji, Institut Laue-Langevin；Anibal J. Ramirez-Cuesta，橡树岭国家实验室；Simon JL Billinge，哥伦比亚工程学院，哥伦比亚大学，布鲁克海文国家实验室。
资助：SJLB 承认美国能源部、科学办公室、基础能源科学办公室的支持，合同号为 DE-SC0012704。CHL 感谢 NSF GRFP DGE-1746045 的支持。GGG-V。感谢哥斯达黎加大学研究副校长的支持（项目编号 816-C1-601）。阿贡 (PBL) 的工作得到了美国能源部、科学办公室、基础能源科学办公室、材料科学与工程办公室的支持，合同编号为。DE-AC02-06CH11357。在西北大学 (MGK)，热电材料方面的工作主要得到美国能源部、科学办公室、基础能源科学办公室的支持，奖励编号：DE-SC0014520。这项工作得到了未来投资计划的支持，这是一个 ISITE-BFC 项目（合同号 ANR[1]15-IDEX-0003）（SAJK）。