Para registar uma fotografia, as melhores câmaras digitais do mercado deixam o obturador aberto por cerca de um quatro-milésimo de segundo.
Para “fotografar” a atividade atómica, porém, seria preciso um obturador que disparasse muito, muito mais depressa.
Foi com isso em mente que, em 2023, cientistas apresentaram uma forma de alcançar uma velocidade de obturador de apenas um trilionésimo de segundo - ou seja, 250 milhões de vezes mais rápida do que a das câmaras digitais. Essa rapidez permite captar algo crucial na ciência dos materiais: a desordem dinâmica.
Assista ao vídeo abaixo para um resumo do que eles descobriram:
O que é desordem dinâmica
Em termos simples, a desordem dinâmica acontece quando grupos de átomos se deslocam e “dançam” dentro de um material de maneiras específicas durante um certo intervalo de tempo - desencadeados, por exemplo, por uma vibração ou por uma mudança de temperatura. Ainda não é um fenómeno que compreendamos por completo, mas ele é determinante para as propriedades e as reações dos materiais.
vsPDF (função de distribuição de pares atómicos com obturador variável) e a desordem dinâmica
Esse sistema de obturador ultra-rápido dá muito mais visibilidade ao que se passa na desordem dinâmica. Os investigadores chamam a invenção de “função de distribuição de pares atómicos com obturador variável”, ou vsPDF, na sigla.
"É só com esta nova ferramenta vsPDF que conseguimos mesmo ver este lado dos materiais", afirmou o cientista de materiais Simon Billinge, da Universidade Columbia, em Nova Iorque.
"Com esta técnica, vamos conseguir observar um material e ver quais átomos estão na dança e quais estão a ficar de fora."
Quanto maior a velocidade do obturador, mais preciso é o “recorte” temporal capturado - o que é particularmente útil para coisas que se movem depressa, como átomos a tremer rapidamente. Numa fotografia de um jogo desportivo, por exemplo, se a velocidade do obturador for baixa, os jogadores acabam por aparecer desfocados na imagem.
Como o vsPDF atinge um trilionésimo de segundo
Para conseguir um registo tão rápido, o vsPDF recorre a neutrões para medir a posição dos átomos, em vez de técnicas de fotografia convencionais. É possível acompanhar como os neutrões atingem e atravessam um material para estimar os átomos ao redor; nesse processo, as alterações nos níveis de energia funcionam como o equivalente a ajustar a velocidade do obturador.
Estas mudanças na velocidade do obturador são tão importantes quanto o valor extremo de um trilionésimo de segundo: elas são essenciais para separar a desordem dinâmica de uma desordem relacionada, mas diferente - a desordem estática, o “abanar” de fundo de átomos no mesmo lugar que não aumenta a função do material.
"Isto dá-nos uma forma totalmente nova de desembaraçar as complexidades do que está a acontecer em materiais complexos, efeitos escondidos que podem supercarregar as suas propriedades", disse Billinge.
O que o vsPDF mostrou no germaneto de telúrio (GeTe)
Neste estudo, a equipa apontou a sua “câmara” de neutrões para um material chamado germaneto de telúrio (GeTe), que, graças às suas características, é muito usado para converter calor desperdiçado em eletricidade - ou eletricidade em arrefecimento.
O equipamento indicou que o GeTe se mantinha estruturado como um cristal, em média, a todas as temperaturas. No entanto, a temperaturas mais elevadas, exibiu mais desordem dinâmica: os átomos passaram a trocar movimento por energia térmica seguindo um gradiente que corresponde à direção da polarização elétrica espontânea do material.
Compreender melhor estas estruturas físicas reforça o nosso conhecimento sobre como os materiais termoelétricos funcionam, o que ajuda a desenvolver materiais e equipamentos mais eficazes - como os instrumentos que fornecem energia a veículos exploradores de Marte quando a luz solar não está disponível.
A partir de modelos construídos com base nas observações registadas pela nova câmara, a compreensão científica destes materiais e processos pode melhorar. Ainda assim, há bastante trabalho pela frente até que o vsPDF esteja pronto para se tornar um método de teste amplamente utilizado.
"Antecipamos que a técnica vsPDF aqui descrita se torne uma ferramenta padrão para reconciliar estruturas locais e médias em materiais de energia", explicaram os investigadores no artigo.
A pesquisa foi publicada na revista Materiais da Natureza.
Uma versão anterior deste artigo foi publicada em março de 2023.
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