Твердые материалы на самом деле не такие твердые, как кажется. Обычно каждый атом фактически колеблется в определенном месте в материале. Большинство теоретических моделей, предназначенных для описания твердых материалов, основаны на предположении, что атомы сохраняют свои позиции и не удаляются от них слишком далеко.
"Это не относится к некоторым материалам, таким как материалы с очень высокой ионной проводимостью и те, в которых строительными блоками являются не только атомы, но и молекулы.
Некоторые из перовскитов, которые являются многообещающими материалами для солнечных элементов, относятся к этому типу », – говорит нам Йохан Кларбринг, докторант теоретической физики Университета Линчепинга.
Перовскиты отличаются своей кристаллической структурой и бывают разных форм.
В их состав могут входить как атомы, так и молекулы. Атомы в молекулах колеблются, но вся молекула также может вращаться, что означает, что атомы перемещаются значительно больше, чем это часто предполагается в расчетах.
Материалы, которые демонстрируют такое нетипичное поведение, известны как «динамически неупорядоченные твердые материалы."Динамически неупорядоченные твердые материалы демонстрируют огромный потенциал в экологически безопасных приложениях. Материалы, которые являются хорошими ионными проводниками, являются, например, многообещающими для разработки твердых электролитов для батарей и топливных элементов, а также для термоэлектрических применений.
Однако свойства материалов было сложно вычислить теоретически, и исследователи часто были вынуждены проводить длительные эксперименты.
Йонас Кларбринг разработал вычислительный метод, который точно описывает, что происходит, когда эти типы материалов нагреваются и претерпевают фазовые переходы. Йохан Кларбринг и его научный руководитель профессор Сергей Симак опубликовали результаты в научном журнале Physical Review Letters.
Они изучили оксид висмута, Bi2O3, материал, известный как очень хороший ионный проводник. Этот оксид, в котором ток проводится по оксидным ионам, является лучшим проводником оксидных ионов среди всех известных твердых материалов. Эксперименты показали, что он имеет низкую проводимость при низких температурах, но при нагревании претерпевает фазовый переход в динамически неупорядоченную фазу с высокой ионной проводимостью.
"В статье в Physical Review Letters описывается, как нам впервые удалось теоретически описать фазовый переход в оксиде висмута и вычислить температуру, при которой он происходит. Это обеспечивает важную теоретическую основу для разработки, например, электролитов в топливных элементах, где важно точно знать, когда происходит фазовый переход », – говорит Йохан Кларбринг.
"Я начинаю с упорядоченного этапа, который хорошо описывается обычными методами. Затем я использую технику, известную как «термодинамическая интеграция», которую я адаптировал для работы с неупорядоченным движением.
Упорядоченная фаза соединяется с неупорядоченной с помощью серии квантово-механических расчетов, выполненных в Национальном суперкомпьютерном центре в LiU."
Теоретические расчеты полностью согласуются с поведением материала в лабораторных экспериментах.
Теперь исследователи планируют протестировать метод на других интересных материалах, таких как перовскиты, и на материалах с высокой литий-ионной проводимостью. Последние представляют интерес для разработки высокопроизводительных аккумуляторов.
«Если у нас есть глубокое теоретическое понимание материалов, это расширяет возможности их оптимизации для конкретных приложений», – заключает Йохан Кларбринг.