Los científicos pueden pasar mucho tiempo en acalorados debates sobre pequeños detalles, por ejemplo, cómo y si los átomos de un cristal se mueven cuando se calientan, alterando así la simetría. Usando simulaciones por computadora para el telururo de plomo mineral en la supercomputadora CSCS Piz Daint, Los investigadores de ETH han resuelto una controversia de larga data.

Para los forasteros, Las preguntas científicas a veces pueden parecer desgarradoras. Estas preguntas, sin embargo, a menudo son cruciales, como en la ciencia de los materiales:el uso comercial de un material depende o cae sobre sus propiedades. Una cuestión que depende mucho de tal división es la que planteó Boris Sangiorgio en su tesis doctoral. En el grupo de investigación del profesor Nicola Spaldin de ETH en el Instituto de Teoría de Materiales, Sangiorgio utilizó la supercomputadora Piz Daint para examinar cómo se comporta el telururo de plomo (PbTe) cuando se calienta. El telururo de plomo aparece en la naturaleza como altaita, un mineral de sulfosal. Altaite puede convertir la energía térmica en energía eléctrica, lo que significa que tiene propiedades termoeléctricas.

El rover de Marte se mueve usando telururo de plomo

Los materiales termoeléctricos se hicieron populares en la industria aeroespacial en la década de 1960, y siguen siendo de uso generalizado en la actualidad; por ejemplo, un generador termoeléctrico hecho de telururo de plomo alimenta el rover de Marte Curiosity desde 2012.

Hace unos siete años, sin embargo, un estudio sobre el telururo de plomo encendió una disputa entre los científicos de materiales. En aquel momento, Los investigadores llegaron a la conclusión de que cuando se calienta el telururo de plomo, Se produce el fenómeno de la enfanisis. En lenguaje sencillo, el calentamiento hace que los átomos de plomo se muevan localmente en el cristal, reduciendo la simetría local. Previamente, sólo se conocía el proceso inverso:el calentamiento provocaba un aumento de la simetría.

La enfanisis siguió siendo poco conocida hasta que el equipo de Spaldin examinó este fenómeno en el telururo de plomo utilizando la supercomputadora. Las simulaciones muestran que cuando el mineral se calienta, la simetría se rompe localmente. Sin embargo, cuando el cristal se ve como un todo, se conserva la simetría cúbica original.

Para experimentos reales con el mineral, los científicos trabajaron en colaboración con investigadores en la plataforma de rayos X del Departamento de Materiales de ETH y utilizaron una técnica de dispersión de rayos X que proporcionó una visibilidad de alta precisión de la estructura del cristal atómico. Los resultados de estos ensayos se correspondieron muy de cerca con los de la simulación, confirmando así los resultados de la simulación. Luego, los investigadores pudieron dar un paso más en las simulaciones que en el experimento y descubrir qué había detrás del proceso de enfanisis en el telururo de plomo.

Nuevo fenómeno

Las simulaciones muestran que calentar el cristal provoca fuertes vibraciones acústicas y ópticas. Estas vibraciones se superponen y se acoplan, que produce un fenómeno nunca antes observado:debido a las vibraciones acopladas, se forman dipolos correlacionados en el cristal, con pares de átomos de Pb y Te que fluctúan y se orientan según sus cargas. "Visto en su conjunto, sin embargo, los átomos todavía están en una posición muy simétrica, ", dice Sangiorgio. La simetría global se mantiene. Los investigadores sospechan que este proceso es esencial para el comportamiento termoeléctrico del telururo de plomo. También podría ser cierto para otros materiales (los llamados ferroeléctricos) que, como telururo de plomo, están cerca de una transición de fase ferroeléctrica.

"La funcionalidad del telururo de plomo probablemente se base en un equilibrio sensible entre las propiedades estructurales y electrónicas, ", dice Sangiorgio. Comprender la estructura local y la dinámica del telururo de plomo es esencial para que los científicos expliquen el comportamiento del material. Estos hallazgos les ayudarán a crear o encontrar materiales termoeléctricos más eficientes en el futuro. Los materiales termoeléctricos no solo son de interés en la industria aeroespacial investigación; también podrían ayudar a hacer un uso más eficiente del calor residual de las plantas de incineración o los automóviles en la generación de electricidad.