Câmara capta o caos em movimento em um trilionésimo de segundo

As melhores câmaras digitais do mercado conseguem, para tirar uma fotografia, abrir o obturador durante cerca de 1/4.000 de segundo.

Mas, para registar a actividade atómica, seria preciso um “clique” muitíssimo mais rápido.

Foi com isso em mente que cientistas apresentaram, em 2023, uma forma de obter uma velocidade de obturador de apenas um trilionésimo de segundo - 250 milhões de vezes mais rápida do que a dessas câmaras digitais. Esta rapidez torna-se especialmente valiosa para captar um fenómeno essencial na ciência dos materiais: a desordem dinâmica.

Veja o vídeo abaixo para um resumo do que foi observado.

Desordem dinâmica: quando os átomos “dançam” dentro dos materiais

De forma simples, a desordem dinâmica acontece quando conjuntos de átomos se deslocam e “dançam” num material segundo padrões específicos durante um determinado intervalo de tempo - por exemplo, desencadeados por uma vibração ou por uma alteração de temperatura. É um efeito que ainda não é totalmente compreendido, mas está ligado de forma decisiva às propriedades e às reacções dos materiais.

Uma vez que os átomos se movem de forma extremamente rápida, um obturador mais veloz permite um instantâneo temporal mais nítido. Tal como numa fotografia de um jogo: se a velocidade do obturador for baixa, os jogadores aparecem desfocados; se for alta, o movimento fica “congelado”.

vsPDF: função de distribuição de pares atómicos com obturador variável (e o papel dos neutrões)

O sistema de obturador ultrarrápido oferece uma janela muito mais clara sobre o que se passa durante a desordem dinâmica. Os investigadores chamam à sua ferramenta função de distribuição de pares atómicos com obturador variável, ou vsPDF.

Segundo o cientista de materiais Simon Billinge, da Universidade de Columbia, em Nova Iorque, “é apenas com esta nova ferramenta vsPDF que conseguimos ver realmente este lado dos materiais”.

Com esta abordagem, acrescentou, será possível observar um material e identificar “quais os átomos que entram na dança e quais os que ficam de fora”.

Ao contrário das técnicas fotográficas convencionais, a vsPDF recorre a neutrões para medir a posição dos átomos. Ao acompanhar a forma como os neutrões atingem e atravessam o material, é possível inferir a organização dos átomos circundantes. Neste método, alterações nos níveis de energia funcionam como equivalentes a ajustes na “velocidade do obturador”.

Estas variações de velocidade são tão relevantes quanto o próprio valor extremo de um trilionésimo de segundo: são essenciais para distinguir desordem dinâmica de um fenómeno próximo, mas diferente, chamado desordem estática - a agitação “de fundo” em torno do mesmo ponto, típica de átomos que não contribuem para melhorar a função do material.

Billinge sublinhou que isto “dá-nos uma forma totalmente nova de desembaraçar as complexidades do que está a acontecer em materiais complexos, efeitos escondidos que podem potenciar enormemente as suas propriedades”.

O caso do telurieto de germânio (GeTe) e a energia termoeléctrica

Para demonstrar o método, os investigadores apontaram a sua “câmara” de neutrões para um material chamado telurieto de germânio (GeTe). Devido às suas características particulares, o GeTe é amplamente utilizado para converter calor residual em electricidade - ou, no sentido inverso, transformar electricidade em arrefecimento.

As medições indicaram que o GeTe, em média, se mantém organizado como um cristal a todas as temperaturas. No entanto, a temperaturas mais elevadas, passou a exibir mais desordem dinâmica: os átomos trocavam movimento por energia térmica, seguindo um gradiente que coincide com a direcção da polarização eléctrica espontânea do material.

Compreender melhor estas estruturas físicas aprofunda o conhecimento sobre como funcionam os termoeléctricos, ajudando a desenvolver materiais e equipamentos mais eficientes - por exemplo, instrumentos que alimentam robôs exploradores de Marte quando a luz solar não está disponível.

O que esta técnica pode desbloquear a seguir

Uma vantagem prática da vsPDF é ligar, com maior rigor, a estrutura local (o que acontece à escala atómica) à estrutura média (o que se mede de forma mais global). Esse “encaixe” é muitas vezes o que falta para explicar por que razão certos materiais têm desempenhos inesperados - seja em conversão de energia, seja em respostas eléctricas e térmicas.

Além disso, ferramentas deste tipo podem tornar-se particularmente úteis na investigação de materiais onde pequenas flutuações atómicas têm grandes impactos macroscópicos, como em compostos para aproveitamento de calor, materiais com polarização eléctrica e outros sistemas avançados de energia.

Limitações actuais e próximos passos para a vsPDF

Apesar de os modelos baseados nas observações desta nova câmara poderem melhorar a compreensão científica dos materiais e dos processos envolvidos, ainda há trabalho significativo pela frente para que a vsPDF se torne um método de ensaio amplamente adoptado.

Os investigadores escreveram que antecipam que a técnica vsPDF descrita “se tornará uma ferramenta padrão para reconciliar estruturas locais e médias em materiais de energia”.

O estudo foi publicado na revista Materiais da Natureza.

Uma versão anterior deste artigo foi publicada em Março de 2023.