p Os cientistas descobriram que uma classe de materiais conhecida por converter calor em eletricidade e vice-versa se comporta de forma inesperada em nanoescala em resposta às mudanças de temperatura. A descoberta - descrita em 17 de dezembro, 2010, emissão de Ciência - é uma nova transição de fase de "direção oposta" que ajuda a explicar a forte resposta termoelétrica desses materiais. Também pode ajudar os cientistas a identificar outras termoelétricas úteis, e poderia promover sua aplicação na captura de energia perdida na forma de calor, por exemplo, no escapamento automotivo e de fábrica. p Os cientistas - do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA, Universidade Columbia, Laboratório Nacional de Argonne, Laboratório Nacional de Los Alamos, Northwestern University, e o Instituto Federal Suíço de Tecnologia - estavam estudando calcogenetos de chumbo (chumbo emparelhado com telúrio, selênio, ou enxofre) usando novas técnicas experimentais disponíveis e abordagens teóricas que lhes permitem "ver" e modelar o comportamento de átomos individuais em nanoescala, ou da ordem de bilionésimos de metro. Com essas ferramentas, eles foram capazes de observar mudanças sutis nos arranjos atômicos invisíveis às sondas convencionais de estrutura.

p Para entender a transição de fase que os cientistas observaram, pense na resposta diária de um gás como o resfriamento a vapor para formar água líquida, e então congelando para formar gelo sólido. Em cada caso, os átomos sofrem alguma forma de rearranjo estrutural, explica Simon Billinge, um físico do Brookhaven Lab e da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Columbia University e um dos principais autores do Ciência papel.

p "As vezes, mais resfriamento levará a mais transições estruturais:os átomos no cristal se reorganizam ou se deslocam para diminuir a simetria geral, "Diz Billinge. O desenvolvimento de tais distorções atômicas localizadas durante o resfriamento é normal, ele diz. "O que descobrimos nos calcogenetos de chumbo é o comportamento oposto:na temperatura mais baixa, não houve deslocamentos atômicos, nada - mas no aquecimento, deslocamentos aparecem! "

p As técnicas que os cientistas usaram para observar essa ação atômica em nanoescala eram versões de alta tecnologia da visão de raios-x, auxiliado por análises matemáticas e computacionais dos resultados. Primeiro, os materiais de chumbo foram feitos na forma de pó purificado na Northwestern University. Em seguida, os cientistas bombardearam as amostras com dois tipos de feixes - raios-x na Fonte Avançada de Fótons em Argonne e nêutrons no Centro de Espalhamento de Nêutrons de Lujan em Los Alamos. Os detectores reúnem informações sobre como esses feixes se espalham pela amostra para produzir padrões de difração que indicam as posições e arranjos dos átomos. Outras análises matemáticas e computacionais dos dados usando programas de computador desenvolvidos em Brookhaven e Columbia permitiram aos cientistas modelar e interpretar o que estava acontecendo no nível atômico em uma faixa de temperaturas.

p Emil Bozin, físico de Brookhaven, primeiro autor do artigo, foi o primeiro a notar o comportamento estranho nos dados, e ele trabalhou tenazmente para provar que era algo novo e não um artefato de dados. "Se tivéssemos apenas olhado para a estrutura média, nunca teríamos observado esse efeito. Nossa análise das funções de distribuição de pares atômicos nos dá uma visão muito mais local - a distância de um átomo em particular até seus vizinhos mais próximos - em vez de apenas a média, "Bozin diz. A análise detalhada revelou que, conforme o material fica mais quente, essas distâncias estavam mudando em uma escala minúscula - cerca de 0,025 nanômetros - indicando que átomos individuais estavam sendo deslocados.

p Os cientistas fizeram uma animação para ilustrar o surgimento desses deslocamentos com o aquecimento. Iniciar, os deslocamentos são representados por setas para indicar a mudança de orientação dos átomos conforme eles se movem para frente e para trás, ou flutuar, como pequenos dipolos.

p De acordo com os cientistas, é esse comportamento de inversão aleatório que é a chave para a capacidade dos materiais de converter calor em eletricidade.

p "Os dipolos que giram aleatoriamente impedem o movimento do calor através do material da mesma forma que é mais difícil mover-se através de uma floresta desordenada do que um pomar de macieiras em que as árvores estão alinhadas em fileiras, "Billinge diz." Esta baixa condutividade térmica permite que um grande gradiente de temperatura seja mantido em toda a amostra, o que é crucial para as propriedades termoelétricas. "

p Quando um lado do material entra em contato com o calor - digamos, no sistema de exaustão de um carro - o gradiente causará portadores de carga no material termoelétrico (por exemplo, elétrons) para se difundir do lado quente para o lado frio. Capturar essa corrente elétrica induzida termicamente pode colocar o calor "residual" em uso.

p Esta pesquisa pode ajudar os cientistas a pesquisar outros materiais termoelétricos com propriedades excepcionais, uma vez que vincula a boa resposta termoelétrica à existência de dipolos flutuantes.

p "Nosso próximo passo será a busca de novos materiais que mostrem essa nova transição de fase, e encontrar outras assinaturas estruturais para este comportamento, "Billinge disse." As novas ferramentas que nos permitem sondar estruturas em nanoescala são essenciais para esta pesquisa.

p "Esses estudos de materiais complexos em nanoescala são a chave para muitas das inovações tecnológicas transformadoras que buscamos para resolver os problemas de energia, saúde, e o meio ambiente. "