兆秒カメラが実際の混乱を捉える：ScienceAlert

写真を撮影するために、市販されている最高のデジタルカメラは、約 4,000 分の 1 秒間シャッターを開きます。

原子の活動を写真に撮るには、より速くクリックできるシャッターが必要です。

これを念頭に置いて、科学者たちは、わずか 1 兆分の 1 秒、つまりデジタルカメラの 2 億 5,000 万倍のシャッタースピードを達成する方法を明らかにしました。これにより、彼は材料科学において非常に重要なもの、つまり動的乱流を捉えることができるようになりました。

簡単に言えば、振動や温度変化などにより、物質内の原子のグループが一定期間にわたって特定の方法で移動したり踊ったりするときに発生します。これはまだ完全に理解されている現象ではありませんが、材料の特性と相互作用にとって重要です。

今年 3 月に発表された新しい超高速シャッタースピードシステムは、動的な乱気流で何が起こっているのかをさらに詳しく知ることができます。研究者らは、自分たちの発明をシャッター原子ペア変数分布関数、または略して vsPDF と呼んでいます。

「この新しい vsPDF ツールを使用するだけで、資料のこちら側を実際に見ることができます。」彼は言ったニューヨークのコロンビア大学の材料科学者サイモン・ビリンジ氏は言う。

「この技術を使えば、物質を観察して、どの原子がダンスに参加し、どの原子が座っていないかを確認できるようになります。」

シャッタースピードが速いほど、時間のショットがより正確に捉えられるため、急速に振動する原子などの高速で移動する物体を撮影するのに役立ちます。たとえば、スポーツの試合の写真でシャッタースピードを遅くすると、フレーム内の選手がぼやけてしまいます。

驚くほど高速なスナップショットを実現するために、vsPDF は従来のイメージング技術ではなく、中性子を使用して原子の位置を測定します。中性子が物質に衝突して通過する方法を追跡して周囲の原子を測定することができ、エネルギーレベルの変化はシャッタースピードの調整に相当します。

これらのシャッタースピードの違いは、1 兆分の 1 秒のシャッタースピードに加えて重要です。これらの違いは、関連する異なる静的乱流、つまり、剥がされた原子のスポットで振動する自然の背景から動的乱流を抽出するのに不可欠です。素材の機能性を高めます。

「これは、複雑な材料内で何が起こるかの複雑さと、その特性を増幅させる可能性のある隠れた影響を解き明かすまったく新しい方法を私たちに与えてくれます。」彼は言った請求書。

この場合、研究者らは中性子カメラを次の物質で訓練しました。テルル化ゲルマニウム (GeTe) は、廃熱を電気に変換する、または電気を冷却に変換するという特殊な特性により広く使用されています。

カメラはGeTeが結晶状のままであることを明らかにしました。真ん中に、あらゆる温度で。しかし、より高温では、材料の自発分極の方向と一致する勾配に従って原子が運動を熱エネルギーに変換するため、より動的な無秩序が示されました。

これらの物理的構造をより深く理解することで、熱電素子がどのように機能するかについての知識が向上し、太陽光が利用できないときに火星探査機に電力を供給する機器など、より優れた材料や機器を開発できるようになります。

新しいカメラで捉えた観察に基づくモデルを通じて、これらの材料とプロセスの科学的理解を向上させることができます。ただし、vsPDF を広く使用されるテスト方法として準備するには、まだ多くの作業が必要です。

研究者らは、「ここで説明したvsPDF技術が、エネルギー材料の局所構造と中間構造を調和させるための標準ツールになることを期待している」と述べた。説明する彼らの論文では。

に発表された研究 自然素材。

この記事の前のバージョンは 2023 年 3 月に公開されました。