Elementaire metalen vormen meestal eenvoudige, dicht opeengepakte kristallijne structuren. Hoewel lithium (Li) wordt beschouwd als een typisch eenvoudig metaal, de kristalstructuur bij omgevingsdruk en lage temperatuur blijft onbekend.

Onderzoekers van Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) kwamen onlangs met een techniek om structurele informatie voor Li te verkrijgen onder omstandigheden waar traditionele kristallografische methoden onvoldoende zijn. Met behulp van deze methodiek, een decennialange puzzel kan eindelijk worden opgelost.

Li is het lichtste metaal en het minst dichte vaste element bij omgevingsomstandigheden. Li en zijn verbindingen hebben verschillende industriële toepassingen, inclusief hittebestendig glas en keramiek, lithiumvet smeermiddelen, fluxadditieven voor ijzer, productie van staal en aluminium, lithiumbatterijen en lithium-ionbatterijen. Deze toepassingen verbruiken meer dan driekwart van de lithiumproductie.

"De supergeleiding van alkalimetalen, en Li, is een kwestie waarover al jaren wordt gedebatteerd, " zei Stanimir Bonev, LLNL hoofdauteur van een artikel dat verscheen in een recente editie van Proceedings van de National Academy of Sciences . "Pas onlangs werd supergeleiding in Li bij omgevingsdruk waargenomen. Maar om de supergeleidende eigenschappen te begrijpen, het is essentieel om de kristalstructuur te kennen."

Als aanvulling op kristallografische methoden, het LLNL-team stelde metingen voor van de oscillaties van het kristalmagnetische moment in een extern magnetisch veld. Het team voerde theoretische analyses uit die aantoonden dat het spectrum van oscillatieresonanties behoorlijk onderscheidend is voor verschillende Li-structuren. Een vergelijking met bestaande experimentele gegevens geeft aan dat de lage temperatuurfase van Li onverenigbaar is met de eerder toegewezen 9R (negen hexagonale stapellagen) structuur.

Li heeft zeer interessante eigenschappen bij hoge druk. Wanneer het bij lage temperatuur wordt gecomprimeerd, de supergeleidende kritische temperatuurstijgingen - van 0,4 millikelvin bij omgevingsdruk tot 20 kelvin bij ongeveer 500, 000 atmosfeer druk. Dan transformeert het in een halfgeleider, dan weer tot een metaal onder hogere druk, maar met een zeer complexe structuur.

Voor jaren, wetenschappers hebben geprobeerd het vreemde gedrag van lithium te begrijpen. theoretisch, er zijn verschillende structuren die qua energie erg dicht bij elkaar liggen. Om definitief te bepalen welke van hen de absoluut laagste energie heeft, en is daarom de evenwichtsstructuur, vereist enorme precisie in de berekeningen. Tegelijkertijd, vanwege zijn lichte atomaire massa, de dynamiek van Li-atomen is zelfs bij lage temperatuur aanzienlijk en dit maakt het nog moeilijker om een ​​dergelijke precisie te bereiken.

Aan de experimentele kant - omdat Li een laag-Z-element is - heeft het een relatief zwakke respons op röntgenstralen en neutronen, wat de traditionele methoden zijn om de kristalstructuur te bepalen. De overgang naar de lage-temperatuurfase is geleidelijk en het breekt ook het monokristalmonster.

In een polykristallijn monster het is mogelijk om een ​​mengsel van meerdere fasen te hebben. Als resultaat, verstrooiing (röntgen en neutronen) metingen kunnen en zijn op verschillende manieren geïnterpreteerd.

"Het is moeilijk om afdoende vast te stellen wat de structuur is met deze andere methoden alleen, " zei Bonev. "Er zijn slechts een paar goed uitgesproken diffractiepieken en ze passen bij verschillende structuren. De metingen worden natuurlijk moeilijker bij hoge druk. Met de methode die we voorstellen, deze moeilijkheden worden omzeild."

Het onderzoek verschijnt in de editie van 23 mei van: PNAS .