Os cientistas podem passar muito tempo em debates acalorados sobre pequenos detalhes - por exemplo, como e se os átomos em um cristal se movem quando aquecidos, alterando assim a simetria. Usando simulações de computador para o telureto de chumbo mineral no supercomputador CSCS Piz Daint, Os pesquisadores da ETH resolveram uma controvérsia de longa data.

Para estranhos, questões científicas às vezes podem parecer confusas. Estas questões, Contudo, são frequentemente cruciais, como na ciência dos materiais:o uso comercial de um material se mantém ou cai em suas propriedades. Uma questão que depende muito dessa divisão de cabelo é a que Boris Sangiorgio buscou em sua tese de doutorado. No grupo de pesquisa do professor Nicola Spaldin do Instituto de Teoria de Materiais, Sangiorgio usou o supercomputador Piz Daint para examinar como o telureto de chumbo (PbTe) se comporta quando aquece. O telureto de chumbo aparece na natureza como altaita, um mineral sulfossal. Altaite pode converter energia térmica em energia elétrica, o que significa que tem propriedades termoelétricas.

O rover de Marte se move usando telureto de chumbo

Os materiais termoelétricos se tornaram populares na indústria aeroespacial na década de 1960, e permanecem em uso generalizado hoje; por exemplo, um gerador termoelétrico feito de telureto de chumbo alimenta o Mars rover Curiosity desde 2012.

Cerca de sete anos atrás, Contudo, um estudo sobre telureto de chumbo acendeu uma disputa entre cientistas de materiais. Naquela época, pesquisadores chegaram à conclusão de que quando o telureto de chumbo é aquecido, o fenômeno da emphanisis ocorre. Em termos simples, aquecimento faz com que os átomos de chumbo mudem localmente no cristal, reduzindo a simetria local. Anteriormente, apenas o processo inverso era conhecido:o aquecimento causava um aumento na simetria.

Emphanisis permaneceu mal compreendido até que a equipe de Spaldin examinou este fenômeno no telureto de chumbo usando o supercomputador. As simulações mostram que quando o mineral é aquecido, a simetria é quebrada localmente. Contudo, quando o cristal é visto como um todo, a simetria cúbica original é mantida.

Para experimentos reais com o mineral, os cientistas trabalharam em colaboração com pesquisadores da plataforma de raios-X do Departamento de Materiais da ETH e usaram uma técnica de espalhamento de raios-X que forneceu visibilidade de alta precisão da estrutura do cristal atômico. Os resultados desses testes corresponderam muito de perto aos da simulação, confirmando assim os resultados da simulação. Os pesquisadores foram então capazes de dar um passo além nas simulações do que no experimento e descobrir o que estava por trás do processo de emphanisis no telureto de chumbo.

Novo fenômeno

As simulações mostram que o aquecimento do cristal leva a fortes vibrações acústicas e ópticas. Essas vibrações se sobrepõem e são acopladas, que produz um fenômeno nunca antes observado:devido às vibrações acopladas, dipolos correlacionados se formam no cristal, com pares de átomos de Pb e Te flutuando e orientando de acordo com suas cargas. "Visto como um todo, Contudo, os átomos ainda estão em uma posição altamente simétrica, "diz Sangiorgio. A simetria global é mantida. Os pesquisadores suspeitam que esse processo seja essencial para o comportamento termoelétrico do telureto de chumbo. Também pode ser verdadeiro para outros materiais (os chamados ferroelétricos) que, como telureto de chumbo, estão perto de uma transição de fase ferroelétrica.

"A funcionalidade do telureto de chumbo é provavelmente baseada em um equilíbrio sensível entre propriedades eletrônicas e estruturais, "diz Sangiorgio. Compreender a estrutura local e dinâmica do telureto de chumbo é essencial para os cientistas explicarem o comportamento do material. Essas descobertas os ajudarão a criar ou encontrar materiais termoelétricos mais eficientes no futuro. Os materiais termoelétricos não são de interesse apenas na indústria aeroespacial pesquisa; eles também podem ajudar a fazer um uso mais eficiente do calor residual de usinas de incineração ou carros na geração de eletricidade.