Para congelar o movimento dos átomos, já não basta uma câmara rápida - é preciso algo muito mais extremo. As melhores câmaras digitais do mercado abrem o obturador durante cerca de 1/4000 de segundo, o que chega para fotografar o dia a dia, mas não para seguir atividade atómica.
Foi precisamente por isso que, em 2023, cientistas apresentaram uma forma de atingir uma velocidade de obturador de apenas um trilionésimo de segundo, ou 250 milhões de vezes mais rápida do que a das câmaras digitais. Isso torna a técnica capaz de captar algo muito importante na ciência dos materiais: a desordem dinâmica.
Veja o vídeo abaixo para um resumo do que descobriram:
Em termos simples, trata-se de grupos de átomos que se movem e “dançam” dentro de um material de formas específicas durante certo período - por exemplo, depois de uma vibração ou de uma mudança de temperatura. Ainda não compreendemos totalmente este fenómeno, mas ele é crucial para as propriedades e reações dos materiais.
Este sistema de obturador ultrarrápido dá-nos muito mais informação sobre o que se passa com a desordem dinâmica. Os investigadores chamam-lhe “variable shutter atomic pair distribution function”, ou, abreviadamente, vsPDF.
“É só com esta nova ferramenta vsPDF que conseguimos realmente ver este lado dos materiais”, disse Simon Billinge, cientista de materiais da Universidade de Columbia, em Nova Iorque.
“Com esta técnica, vamos poder observar um material e ver que átomos estão a entrar na dança e quais estão a ficar de fora.”
Um obturador mais rápido capta uma imagem temporal mais precisa, o que é útil para objetos que se movem depressa, como átomos em forte vibração. Num jogo de futebol, por exemplo, usar uma velocidade de obturação baixa acabaria por deixar os jogadores borrados na fotografia.
Para conseguir um registo tão veloz, o vsPDF usa neutrões para medir a posição dos átomos, em vez de técnicas fotográficas convencionais. A forma como os neutrões atingem e atravessam um material pode ser seguida para medir os átomos à sua volta, com mudanças nos níveis de energia equivalentes a ajustes na velocidade do obturador.
Essas variações na velocidade do obturador são importantes, tal como a marca de um trilionésimo de segundo: são essenciais para distinguir a desordem dinâmica da desordem estática - o ligeiro abanar natural, no lugar, de átomos que não contribuem para a função do material.
“Dá-nos uma forma completamente nova de desfazer as complexidades do que está a acontecer em materiais complexos, efeitos ocultos que podem potenciar as suas propriedades”, disse Billinge.
Neste caso, os investigadores apontaram a sua câmara de neutrões a um material chamado telureto de germânio (GeTe), que, devido às suas propriedades, é muito usado para converter calor desperdiçado em eletricidade ou eletricidade em refrigeração.
A câmara mostrou que o GeTe permanecia estruturado como cristal, em média, a todas as temperaturas. Mas, a temperaturas mais elevadas, revelou mais desordem dinâmica, com os átomos a converterem movimento em energia térmica ao longo de um gradiente que coincide com a direção da polarização elétrica espontânea do material.
Perceber melhor estas estruturas físicas melhora o nosso conhecimento sobre como funcionam os materiais termoelétricos, ajudando a desenvolver materiais e equipamentos melhores - como os instrumentos que alimentam os rovers de Marte quando não há luz solar disponível.
Com modelos baseados nas observações captadas pela nova câmara, a compreensão científica destes materiais e processos pode ser aprimorada. Ainda assim, continua a haver muito trabalho para tornar o vsPDF um método de teste amplamente utilizado.
“A antecipamos que a técnica vsPDF descrita aqui se tornará uma ferramenta padrão para conciliar estruturas locais e médias em materiais energéticos”, explicaram os investigadores no artigo.
A investigação foi publicada na Nature Materials.
Uma versão anterior deste artigo foi publicada em março de 2023.
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