vsPDF capta desordem dinâmica com obturador de um trilionésimo de segundo (2023)

As melhores câmaras digitais no mercado conseguem tirar uma fotografia abrindo o obturador durante cerca de 1/4.000 de segundo.

Mas, para registar atividade atómica, seria necessário um obturador que “disparasse” muitíssimo mais depressa.

Um obturador de um trilionésimo de segundo (2023)

Foi precisamente com isso em mente que cientistas apresentaram, em 2023, uma forma de alcançar uma velocidade de obturação de apenas um trilionésimo de segundo - ou seja, 250 milhões de vezes mais rápida do que a dessas câmaras digitais. Essa rapidez torna possível captar algo de enorme importância na ciência dos materiais: a desordem dinâmica.

Veja o vídeo abaixo para um resumo do que descobriram:

De forma simples, trata-se do comportamento em que grupos de átomos se deslocam e “dançam” num material, seguindo padrões específicos durante um determinado intervalo de tempo - desencadeados, por exemplo, por uma vibração ou por uma alteração de temperatura. É um fenómeno que ainda não compreendemos por completo, mas é determinante para as propriedades e as reações dos materiais.

vsPDF: a ferramenta que torna visível a desordem dinâmica

Este sistema de obturação ultrarrápido dá-nos muito mais detalhe sobre o que se passa durante a desordem dinâmica. Os investigadores chamam à invenção “função de distribuição de pares atómicos com obturador variável”, ou vsPDF.

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

“Com esta técnica, vamos conseguir observar um material e perceber quais os átomos que entram na dança e quais os que ficam de fora.”

Quanto maior a velocidade de obturação, mais “fino” é o instante captado - algo particularmente útil quando o objeto se move depressa, como acontece com átomos a tremer rapidamente. Numa fotografia a um jogo de desporto, por exemplo, se usar uma obturação lenta, os jogadores acabam por ficar desfocados na imagem.

Como a vsPDF mede átomos: neutrões em vez de fotografia convencional

Para obter um registo tão incrivelmente rápido, a vsPDF não recorre a técnicas fotográficas tradicionais: usa neutrões para medir a posição dos átomos. É possível acompanhar a forma como os neutrões atingem e atravessam um material para inferir os átomos em redor; além disso, as alterações nos níveis de energia funcionam como o equivalente a ajustes na velocidade de obturação.

E aqui, não é apenas a obturação de um trilionésimo de segundo que importa: as variações na velocidade de obturação são igualmente decisivas. Elas são essenciais para distinguir a desordem dinâmica de uma condição aparentada, mas diferente, chamada desordem estática - o “abanão” de fundo, típico, de átomos que vibram no mesmo sítio e que não reforça 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 potenciar de forma extraordinária as suas propriedades”, disse Billinge.

O que a “câmara” de neutrões viu no germanium telluride (GeTe)

Neste trabalho, a equipa apontou a sua câmara de neutrões a um material chamado germanium telluride (GeTe), que, devido às suas propriedades específicas, é amplamente usado para converter calor residual em eletricidade ou eletricidade em arrefecimento.

O sistema mostrou que o GeTe se mantinha estruturado como um cristal, em média, a todas as temperaturas. Contudo, a temperaturas mais elevadas, surgiu mais desordem dinâmica: os átomos trocavam movimento por energia térmica, seguindo um gradiente que coincide com a direção da polarização elétrica espontânea do material.

Compreender melhor estas estruturas físicas aprofunda o nosso conhecimento sobre como funcionam os termoelétricos, permitindo desenvolver materiais e equipamento superiores - incluindo os instrumentos que alimentam rovers em Marte quando não há luz solar disponível.

Através de modelos sustentados pelas observações recolhidas por esta nova câmara, é possível melhorar a compreensão científica destes materiais e dos processos envolvidos. Ainda assim, há muito trabalho pela frente para que a vsPDF fique pronta para se tornar um método de teste amplamente utilizado.

“Antecipamos que a técnica vsPDF aqui descrita se tornará uma ferramenta padrão para reconciliar 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.