Kigger på lithiums krystalstruktur

Elementære metaller danner normalt enkle, tætpakkede krystallinske strukturer. Selvom litium (Li) betragtes som et typisk simpelt metal, dens krystalstruktur ved omgivende tryk og lav temperatur forbliver ukendt.

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere fandt for nylig frem til en teknik til at indhente strukturel information for Li under forhold, hvor traditionelle krystallografiske metoder er utilstrækkelige. Ved at bruge denne metode, et årtier langt puslespil kan endelig blive løst.

Li er det letteste metal og mindst tætte faste element ved omgivende forhold. Li og dets forbindelser har flere industrielle anvendelser, herunder varmebestandigt glas og keramik, lithium fedt smøremidler, fluxadditiver til jern, stål og aluminium produktion, litiumbatterier og lithium-ion-batterier. Disse anvendelser forbruger mere end tre fjerdedele af litiumproduktionen.

"Superledningen af ​​alkalimetaller, og Li, er et emne, der har været debatteret i mange år, " sagde Stanimir Bonev, LLNL hovedforfatter til et papir, der forekommer i en nylig udgave af Procedurer fra National Academy of Sciences . "Først for nylig blev der observeret superledning i Li ved omgivelsestryk. Men for at forstå de superledende egenskaber, det er vigtigt at kende krystalstrukturen."

Som et supplement til krystallografiske metoder, LLNL -teamet foreslog målinger af oscillationerne af det krystalmagnetiske moment i et eksternt magnetfelt. Teamet udførte teoretisk analyse, der viste, at spektret af oscillationsresonanser er ret karakteristisk for forskellige Li -strukturer. En sammenligning med eksisterende eksperimentelle data indikerer, at lavtemperaturfasen for Li er inkompatibel med den tidligere tildelte 9R (ni sekskantede stablingslag) struktur.

Li har meget interessante egenskaber ved højt tryk. Når det komprimeres ved lav temperatur, dens superledende kritiske temperatur stiger - fra 0,4 millikelvin ved omgivelsestryk til 20 kelvin ved omkring 500, 000 atmosfæres tryk. Derefter omdannes det til en halvleder, så igen til et metal ved højere tryk, men med en meget kompleks struktur.

Årevis, forskere har forsøgt at forstå lithiums mærkelige opførsel. Teoretisk set der er flere strukturer, der er meget tætte på energi. For endegyldigt at afgøre, hvem der har den absolut laveste energi, og er derfor ligevægtsstrukturen, kræver enorm præcision i beregningerne. På samme tid, på grund af dens lette atommasse, Li-atomernes dynamik er betydelig selv ved lav temperatur, og det gør det endnu sværere at opnå en sådan præcision.

På den eksperimentelle side-fordi Li er et lav-Z-element-har det en relativt svag reaktion på røntgenstråler og neutroner, som er de traditionelle metoder til at bestemme krystalstruktur. Overgangen til lavtemperaturfasen er gradvis, og den bryder også enkeltkrystalprøven.

I en polykrystallinsk prøve, det er muligt at have en blanding af flere faser. Som resultat, spredning (røntgen og neutron) målinger kan og er blevet fortolket på forskellige måder.

"Det er svært at identificere endegyldigt, hvad strukturen er med disse andre metoder alene, " sagde Bonev. "Der er kun nogle få veludtalte diffraktionstoppe, og de matcher flere forskellige strukturer. Målingerne bliver naturligvis hårdere ved højt tryk. Med den metode, vi foreslår, disse vanskeligheder er omgået."

Forskningen vises i 23. maj -udgaven af PNAS .