Visualizzazione dei movimenti atomici nei cristalli

A volte le questioni scientifiche appaiono agli occhi degli estranei come una questione di lana caprina. Ma spesso sono decisive, ad esempio nella scienza dei materiali: L'uso commerciale di un materiale dipende dalle sue proprietà. Un esempio di una domanda che sembra una questione di capelli spaccati con conseguenze è quella che Boris Sangiorgio ha affrontato nella sua tesi di dottorato. Nel gruppo di ricerca del professor Nicola Spaldin dell'ETH presso l'Istituto di Teoria dei Materiali, il ticinese ha utilizzato il supercomputer "Piz Daint" per studiare il comportamento del tellururo di piombo (PbTe) quando si riscalda. Il tellururo di piombo è presente in natura come altaite, un minerale dei solfosalti. Questo minerale può convertire l'energia termica in energia elettrica, cioè ha proprietà termoelettriche.

Il rover su Marte funziona con tellururo di piombo

Le termoelettriche sono diventate popolari nei viaggi spaziali negli anni '60. La loro popolarità continua ancora oggi: un generatore termoelettrico in tellururo di piombo, ad esempio, fornisce energia al rover Curiosity su Marte dal 2012.

Circa sette anni fa, tuttavia, uno studio sul tellururo di piombo ha scatenato una controversia tra i ricercatori di materiali. All'epoca, i ricercatori giunsero alla conclusione che il fenomeno noto come emphanisis si verifica quando il tellururo di piombo viene riscaldato. In parole povere, il riscaldamento provoca uno spostamento locale degli atomi di piombo nel cristallo, riducendo la simmetria locale del cristallo. Finora si conosceva solo il processo opposto, in base al quale la simmetria aumenta quando viene riscaldata.

Fino ad oggi l'enfasi era a malapena compresa. Ora il team di Spaldin ha studiato questo fenomeno per il tellururo di piombo al supercomputer. Le simulazioni mostrano che la simmetria si rompe localmente quando il minerale viene riscaldato. Tuttavia, la simmetria cubica originale viene mantenuta nell'intero cristallo.

Per gli esperimenti reali con il minerale, gli scienziati, in collaborazione con i ricercatori dell'Istituto di teoria dei materiali e del Politecnico di Zurigo, hanno utilizzato il tellururo di piombo. Piattaforma di servizi a raggi X del Dipartimento di scienze ed ingegneria dei materiali dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato un metodo di diffusione dei raggi X che consente di visualizzare la struttura cristallina atomica con elevata precisione. I risultati di questi esperimenti concordano molto bene con quelli della simulazione, il che conferma i risultati della simulazione. Ciò ha permesso ai ricercatori di spingersi un po' più in là nelle simulazioni rispetto all'esperimento e di scoprire cosa c'è dietro l'enfasi nel tellururo di piombo.

Nuovo fenomeno

Le simulazioni mostrano che il riscaldamento del cristallo porta a forti oscillazioni acustiche e deboli oscillazioni ottiche. Queste si sovrappongono e sono accoppiate tra loro. Ciò crea un fenomeno mai osservato prima: a causa delle oscillazioni accoppiate, nel cristallo si dispongono dipoli correlati. Questi consistono in coppie di atomi di piombo e tellurio fluttuanti, che si allineano in base alla loro carica.

"Visti nel loro insieme, tuttavia, gli atomi sono ancora nelle posizioni altamente simmetriche", spiega Sangiorgio. La simmetria globale rimane quindi intatta". I ricercatori ipotizzano che questo processo sia essenziale per il comportamento termoelettrico del tellururo di piombo. Inoltre, questo potrebbe essere il caso anche di altri materiali (i cosiddetti ferroelettrici) che, come l'elluride di piombo, sono vicini a una transizione di fase ferroelettrica.

Uso versatile della termoelettrica

"La funzionalità del tellururo di piombo si basa presumibilmente su un delicato equilibrio tra proprietà elettriche e strutturali", spiega Sangiorgio. La comprensione della struttura e della dinamica locale del tellururo di piombo è essenziale per gli scienziati al fine di spiegare il comportamento del materiale. Queste scoperte li aiuteranno a produrre o trovare materiali termoelettrici più efficienti in futuro. Questo perché la ricerca non è interessata solo ai materiali termoelettrici per i viaggi nello spazio, ma anche all'utilizzo del calore di scarto degli impianti di incenerimento dei rifiuti o delle automobili per generare elettricità nel modo più efficiente possibile.

Questo testo è apparso per la prima volta sul sito web del pagina esternaCSCS.