Thermoelektrische Forscher:innen und Kristallograph:innen stehen bisher vor einem Dilemma: Sie wissen zwar, dass die leistungsfähigsten Materialien bei der Umwandlung von Wärme in Elektrizität sich auf atomarer Ebene dynamischer bewegen als statische, aber weniger effektive Kollegen sind. „Dynamische Unordnung“ nennen Wissenschaftler:innen diese kollektive Fluktuation von Atomclustern innerhalb größerer Strukturen.

Doch der Begriff „dynamische Unordnung“ deutet es an: Es ist sehr schwer, die Fluktuationen aufzunehmen und zu messen. Die atomaren Ansammlungen sind nämlich nicht nur chaotischer strukturiert, sondern bewegen sich ständig in unvorhersehbarer Mustern. Sie scheinen „lebendig zu sein und zu tanzen“, nennt es Holly Evarts von der Columbia University in einem Artikel zu dem neuen Forschungsdurchbruch.

Im Gegensatz zu statischen Unordungen, die es auch gibt, die für die Energiegewinnung aber weniger interessant sind, erscheinen dynamische Unordnungen bei bisherigen bildgebenden kristallographischen Verfahren verwaschen – wie bei einer normalen Kamera, die bei schnellen Bewegungen von Menschen oder Fahrzeugen ja auch Probleme bekommt. So ist es fast unmöglich, die für die Thermoelektrik wichtigen dynamischen Unordnungen von den weniger bedeutenden statischen Unordnungen zu unterscheiden.

Hier setzt nun die neue „Kamera“ an, die Forschende der Columbia Engineering und der Universität von Burgund jetzt in der Zeitschrift Nature Materials vorgestellt haben. Dabei handelt es sich allerdings nicht um eine konventionelle Kamera. Die Apparatur misst mithilfe von Neutronen den jeweiligen Standort der dynamischen Atomstrukturen. Atomic Pair Distribution Function (PDF) nennt sich dieses Verfahren.

Der Clou: Die Belichtungszeit ist dabei um ein sehr hohes Vielfaches größer als bei konventionellen Kameras. Bis zu einer Billion Mal soll die Verschlusszeit schneller sein.

Die Belichtung ist bei dem neuen Verfahren aber nicht nur schneller, sondern kann auch variabel eingesetzt werden. Die Forscher:innen sammelten so „strukturelle Schnappschüsse mit unterschiedlicher Belichtungszeit“, wie es in dem Paper heißt. So können die atomaren Bewegungen auf einer Zeitskala nachgezeichnet werden.

Durch Materialstrukturen mit dynamischer Unordnung erhofft sich die Thermoelektrik leistungsfähige und nachhaltige Umwandlungen von Wärme wie Sonnenlicht oder Abwärme aus Abgasen von Autos und Kraftwerken, die direkt in Strom umgewandelt werden können.

Zum Einsatz könnten diese Umwandlungsprozesse etwa bei Wärmepumpen oder Kühlschränken kommen. Auch der Marsrover hat schon thermoelektrische Energie gewonnen, indem er Abwärme aus radioaktivem Plutonium in Strom umwandelte, als nicht genug Sonnenlicht zur Verfügung stand.