Teorier beskriver dynamisk uordnede faste materialer

Teoretiske fysikere ved Linköpings universitet har udviklet en beregningsmetode til beregning af overgangen fra en fase til en anden i dynamisk uordnede faste materialer. Dette er en klasse af materialer, der kan bruges i mange miljøvenlige applikationer.

Faste materialer er i virkeligheden ikke helt så solide som de ser ud. Normalt, hvert atom vibrerer faktisk omkring en bestemt position i materialet. De fleste teoretiske modeller, der sigter mod at beskrive faste materialer, er baseret på den antagelse, at atomerne bevarer deres positioner og ikke bevæger sig særlig langt fra dem.

"Dette er ikke tilfældet for nogle materialer, såsom materialer med meget høj ionisk ledningsevne og materialer, hvor byggestenene ikke kun er atomer, men også molekyler. Flere af de perovskitter, der er lovende materialer til solceller, er af denne art", Johan Klarbring, doktorand i teoretisk fysik ved Linköpings universitet, Fortæl os.

Perovskitter er defineret af deres krystalstrukturer og findes i forskellige former. Deres bestanddele kan være både atomer og molekyler. Atomer i molekylerne vibrerer, men det komplette molekyle kan også rotere, hvilket betyder, at atomerne bevæger sig betydeligt mere end ofte antages i beregningerne.

Materialer, der viser denne atypiske adfærd, er kendt som "dynamisk uordnede faste materialer". Dynamisk uordnede faste materialer viser et enormt potentiale i miljøfølsomme applikationer. Materialer, der er gode ioniske ledere, er for eksempel, lovende i udviklingen af ​​solide elektrolytter til batterier og brændselsceller, og til termoelektriske applikationer.

Imidlertid, materialernes egenskaber har været vanskelige at beregne teoretisk, og forskere har ofte været tvunget til at bruge tidskrævende eksperimenter.

Jonas Klarbring har udviklet en beregningsmetode, der præcist beskriver, hvad der sker, når disse typer materialer opvarmes og gennemgår faseovergange. Johan Klarbring og hans vejleder, Professor Sergei Simak, har offentliggjort resultaterne i det videnskabelige tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve .

De har undersøgt vismutoxid, Bi ₂ O ₃ , et materiale kendt for at være en meget god ionisk leder. Denne oxid, hvor strømmen ledes af oxidioner, er den bedste oxidionleder af alle kendte faste materialer. Eksperimenter har vist, at den har en lav ledningsevne ved lave temperaturer, men ved opvarmning undergår den en faseovergang til en dynamisk uordnet fase med høj ionisk ledningsevne.

"Artiklen i Physical Review Letters beskriver, hvordan vi for første gang har været i stand til teoretisk at beskrive faseovergangen i bismuthoxid, og beregne temperaturen, ved hvilken det forekommer. Dette giver et vigtigt teoretisk grundlag for udviklingen af, for eksempel, elektrolytter i brændselsceller, hvor det er vigtigt at vide præcis, hvornår faseovergangen finder sted ", siger Johan Klarbring.

"Jeg starter fra en ordnet fase, som er velbeskrevet ved konventionelle metoder. Jeg bruger derefter en teknik kendt som 'termodynamisk integration', som jeg har tilpasset til at håndtere den uordnede bevægelse. Den ordnede fase er koblet til den uordnede, ved hjælp af en række kvantemekaniske beregninger, udført på National Supercomputer Center på LiU. "

De teoretiske beregninger er i fuld overensstemmelse med, hvordan materialet opfører sig i laboratorieforsøg.

Forskerne planlægger nu at teste metoden på andre interessante materialer, såsom perovskites, og på materialer med høj lithiumionisk ledningsevne. Sidstnævnte er af interesse for udviklingen af ​​højtydende batterier.

"Når vi har en dyb teoretisk forståelse af materialerne, det forbedrer mulighederne for at optimere dem til specifikke applikationer ", slutter Johan Klarbring.