Para fazer uma foto, as melhores câmaras digitais do mercado deixam o obturador aberto por cerca de 1/4.000 de segundo.
Para registar atividade atómica, seria preciso um obturador a disparar muito, muito mais depressa.
Foi com isso em mente que cientistas apresentaram, em 2023, um método para chegar a uma velocidade de obturador de apenas um trilionésimo de segundo - ou seja, 250 milhões de vezes mais rápida do que a dessas câmaras digitais. Esse avanço torna possível capturar algo de enorme relevância na ciência dos materiais: a desordem dinâmica.
Assista ao vídeo abaixo para ver um resumo do que eles descobriram:
O que é desordem dinâmica
Em termos simples, trata-se de quando grupos de átomos se movem e “dançam” dentro de um material de maneiras específicas ao longo de um certo intervalo de tempo - desencadeados, por exemplo, por uma vibração ou por uma mudança de temperatura. Ainda não é um fenómeno que compreendemos por completo, mas ele é determinante para as propriedades e as reações dos materiais.
A técnica vsPDF e o “obturador” ultrarrápido
Esse sistema de obturador superveloz permite enxergar com muito mais clareza o que acontece durante a desordem dinâmica. Os investigadores chamam a invenção de “função de distribuição de pares atómicos com obturador variável”, ou vsPDF, na sigla.
“Só com esta nova ferramenta vsPDF é que conseguimos realmente ver este lado dos materiais”, afirmou o cientista de materiais Simon Billinge, da Universidade Columbia, em Nova Iorque.
“Com esta técnica, vamos poder observar um material e ver quais átomos entram na dança e quais ficam de fora.”
Quanto mais rápida a velocidade do obturador, mais preciso é o “recorte” de tempo capturado - algo especialmente útil para alvos que se mexem depressa, como átomos a tremer rapidamente. Numa foto de um jogo desportivo, por exemplo, se a velocidade do obturador for baixa, os jogadores tendem a sair desfocados no enquadramento.
Para alcançar um disparo tão rápido, a vsPDF recorre a neutrões para medir a posição dos átomos, em vez de técnicas tradicionais de fotografia. É possível acompanhar como os neutrões atingem e atravessam o material para inferir os átomos ao redor; e as alterações nos níveis de energia funcionam como o equivalente a ajustar a velocidade do obturador.
Desordem dinâmica vs. desordem estática
Essas variações de velocidade do obturador são tão importantes quanto o próprio valor de um trilionésimo de segundo: elas são essenciais para separar a desordem dinâmica de um fenómeno relacionado, mas diferente, chamado desordem estática - o “mexer” de fundo, no mesmo lugar, de átomos que não melhora a função de um material.
“Isto dá-nos uma forma totalmente nova de desfazer os nós das complexidades do que se passa em materiais complexos, efeitos escondidos que podem turbinar as suas propriedades”, disse Billinge.
O teste com telureto de germânio (GeTe)
Neste trabalho, os investigadores apontaram a sua “câmara” de neutrões para um material chamado telureto de germânio (GeTe) que, graças às suas propriedades específicas, é muito usado para converter calor desperdiçado em eletricidade - ou eletricidade em arrefecimento.
O sistema mostrou que o GeTe se mantinha estruturado como um cristal, em média, a todas as temperaturas. Porém, a temperaturas mais elevadas, o material exibiu mais desordem dinâmica: os átomos convertiam movimento em energia térmica seguindo um gradiente que coincide com a direção da polarização elétrica espontânea do material.
Compreender melhor estas estruturas físicas melhora o nosso entendimento de como os materiais termoelétricos funcionam, o que ajuda no desenvolvimento de materiais e equipamentos superiores - como os instrumentos que alimentam os veículos-robôs em Marte quando não há luz solar disponível.
A partir de modelos baseados nas observações obtidas com a nova câmara, é possível aprimorar o conhecimento científico sobre estes materiais e processos. Ainda assim, há muito trabalho pela frente para que a vsPDF se torne 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 autores no artigo.
A pesquisa foi publicada na revista Nature Materials.
Uma versão anterior deste artigo foi publicada em março de 2023.
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