Wyobraźmy sobie na przykład, że chcemy sfotografować aktywność atomów tworzących jakiś materiał. Nagle uświadamiamy sobie, że na poziomie atomowym jesteśmy w zupełnie innym świecie, w którym wszystko bezustannie się porusza, bezustannie drga. Uchwycenie tego chaosu na zdjęciu wydaje się zatem naturalnie niemożliwe. Oczywiście jest to odczucie niepoparte żadną wiedzą i jak zwykle w przypadki takich odczuć, jest ono całkowicie błędne.
Zespół naukowców z Uniwersytetu Columbia w Nowym Jorku postanowił stworzyć kamerę, która jest w stanie znacznie bardziej skrócić czas otwarcia migawki. Jak bardzo? Jakieś 250 milionów razy od najszybszych powszechnie dostępnych kamer cyfrowych. Stworzenie takiego urządzenia, którego migawka będzie otwierana jedynie na jedną bilionową część sekundy, pozwoliłoby faktycznie zobaczyć, co się dzieje w dowolnym materiale na poziomie atomowym.
Czytaj także: Naukowcy sfotografowali atomy w rekordowej rozdzielczości. Czy to limit obrazowania?
W marcu 2023 roku naukowcy pokazali nowatorskie podejście, które jest w stanie zamrozić w czasie chaos na poziomie atomowym. Nosi ono dość niemedialną nazwę vsPDF, co jest skrótem od variable shutter atomic pair distribution function. Badacze wskazują, że po raz pierwszy w historii ich odkrycie umożliwi obserwowanie dowolnego materiału na tym poziomie szczegółowości, gdzie można sprawdzić, które atomy drgają i wchodzą ze sobą w interakcje, a które nie. Co ważne, im krótszy będzie czas otwarcia migawki, tym wyraźniejszy będzie obraz, dokładnie tak samo jak przy próbie robienia zdjęć skaczącym i biegającym dzieciom bez i z trybem sportowym.
Na poziomie atomowym nie ma jednak klasycznej migawki. Zamiast tego, vsPDF wykorzystuje neutrony do ustalenia położenia atomów. Neutrony emitowane są w kierunku badanego materiału, a następnie obserwuje się, jak przez niego przechodzą i jak w niego uderzają. Na podstawie uzyskanych w ten sposób informacji można dokonać pomiaru otaczających materiał atomów. Zmiany poziomów energii odpowiadają bezpośrednio czasowi otwarcia migawki.
Warto tutaj zwrócić uwagę na to, że naukowcy wciąż muszą być w stanie odróżnić interesujące ich zaburzenie dynamiczne od typowego zaburzenia statystycznego, normalnych drgań atomów, które w żaden sposób nie poprawiają właściwości materiału.
W trakcie jednego z eksperymentów naukowcy przystosowali kamerę neutronową vsPDF do badania tellurku germanu. Materiał ten jest często stosowany do przekształcania ciepła odpadowego w użyteczną energię elektryczną.
Kamera ujawniła, że GeTe posiada strukturę kryształu we wszystkich temperaturach, jednak przy wyższych temperaturach można zauważyć więcej zaburzeń dynamicznych. Wraz ze wzrostem temperatury atomy zamieniały ruch na energię cieplną, co ciekawe gradient tych zmian odpowiadał zmianom kierunku polaryzacji elektrycznej materiału.
Wychodzi zatem na to, że przyglądanie się różnym materiałom na poziomie atomowym za pomocą ultraszybkiej kamery neutronowej pozwala nam dowiedzieć się więcej o właściwościach termoelektrycznych poszczególnych materiałów, a tym samym wytwarzać lepsze i wydajniejsze urządzenia.
Jak na razie jednak naukowcy mają przed sobą sporo pracy. Trzeba bowiem dużo poprawić i udoskonalić, aby kamery neutronowe zaczęły być stosowane powszechnie do testowania nowych materiałów. vsPDF jednak dowodzi, że zmierzamy we właściwym kierunku.