研究人员逐渐认识到，可持续能源应用中性能最好的材料，例如将阳光或废热转化为电能，通常会在更大的结构中使用原子簇的集体波动。这个过程通常被称为“动态障碍”。

动态障碍

了解材料的动态无序可以导致更节能的热电设备，如固态冰箱和热泵，并通过将其直接转换为电能，更好地从废热中回收有用的能量，如汽车尾气和发电站尾气。一种热电装置能够从放射性钚中获取热量，并在没有足够的阳光时将其转化为电能，为火星探测器提供动力。

当材料在操作设备内发挥作用时，它们可以表现得好像它们是活的和跳舞的——材料的一部分以惊人和意想不到的方式做出反应和变化。这种动态紊乱很难研究，因为这些集群不仅如此小和无序，而且它们也会随时间波动。此外，研究人员对材料中存在“无聊”的非波动性障碍，因为这种疾病不会改善特性。到目前为止，从相关性较低的静态紊乱的背景来看，还不可能看到相关的动态紊乱。

新的“相机”具有令人难以置信的快门速度，约为1皮秒

哥伦比亚工程学院和勃艮第大学的研究人员报告说，他们已经开发出一种新型的“相机”，可以看到局部疾病。它的主要特点是可变快门速度：因为无序原子团正在移动，当团队使用慢速快门时，动态无序模糊，但是当他们使用快门时，他们可以看到它。他们称之为可变快门PDF或vsPDF(用于原子对分布函数)的新方法不像传统相机那样工作 - 它使用来自美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)的中子来测量原子位置，快门速度约为一皮秒，或比普通相机快门快一百万(一万亿)倍。该研究于 20 年 2023 月 <> 日由《自然材料》发表。

“只有有了这个新的vsPDF工具，我们才能真正看到材料的这一面，”材料科学、应用物理学和应用数学教授Simon Billinge说。“它为我们提供了一种全新的方法来解开复杂材料中发生的复杂性，隐藏的效果可以增强其特性。通过这种技术，我们将能够观察一种材料，看看哪些原子在舞蹈中，哪些原子在跳舞。

稳定局部波动、将余热转化为电能的新理论

vsPDF工具使研究人员能够发现GeTe中原子对称性被打破，GeTe是一种重要的热电材料，可将废热转化为电能(或将电能转化为冷却)。他们以前无法看到位移，也无法显示动态波动及其波动速度。根据vsPDF的见解，该团队开发了一种新的理论，展示了这种局部波动如何在GeTe和相关材料中形成。这种对舞蹈的机械理解将有助于研究人员寻找具有这些效果的新材料，并施加外力来影响效果，从而产生更好的材料。

研究团队

Billlinge与Simon Kimber共同领导这项工作，Simon Kimber在研究时在法国勃艮第大学。Billinge和Kimber与ORNL和阿贡国家实验室(ANL)的同事合作，该实验室也由美国能源部资助。vsPDF相机的非弹性中子散射测量是在ORNL进行的;该理论是在ANL完成的。

后续步骤

Billinge现在正致力于使他的技术更容易用于研究界，并将其应用于其他具有动态紊乱的系统。目前，该技术还不是交钥匙工程，但随着进一步发展，它应该成为一种更标准的测量方法，可用于原子动力学很重要的许多材料系统，从观察锂在电池电极中移动到研究水分解过程中的动态过程与阳光。

该研究的标题为“动态晶体学揭示立方GeTe中的自发各向异性”。

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