Theoretisch natuurkundigen van de Universiteit van Linköping hebben een rekenmethode ontwikkeld om de overgang van de ene fase naar de andere te berekenen in dynamisch ongeordende vaste materialen. Dit is een materiaalklasse die in veel milieuvriendelijke toepassingen kan worden gebruikt.

Vaste materialen zijn in werkelijkheid niet zo solide als ze lijken. Normaal gesproken, elk atoom trilt eigenlijk rond een bepaalde positie in het materiaal. De meeste theoretische modellen die tot doel hebben vaste materialen te beschrijven, zijn gebaseerd op de veronderstelling dat de atomen hun posities behouden en niet ver van hen bewegen.

"Dit is niet het geval voor sommige materialen, zoals materialen met een zeer hoge ionische geleidbaarheid en die waar de bouwstenen niet alleen atomen zijn, maar ook moleculen. Verschillende van de perovskieten die veelbelovende materialen voor zonnecellen zijn, zijn van dit soort", Johan Klarbring, doctoraatsstudent theoretische natuurkunde aan de Universiteit van Linköping, vertel ons.

Perovskieten worden gedefinieerd door hun kristalstructuren en zijn er in verschillende vormen. Hun bestanddelen kunnen zowel atomen als moleculen zijn. De atomen in de moleculen trillen, maar het volledige molecuul kan ook roteren, wat betekent dat de atomen aanzienlijk meer bewegen dan in de berekeningen vaak wordt aangenomen.

Materialen die dit atypische gedrag vertonen, staan ​​bekend als "dynamisch ongeordende vaste materialen". Dynamisch ongeordende vaste materialen vertonen een enorm potentieel in milieugevoelige toepassingen. Materialen die goede ionengeleiders zijn, zijn bijvoorbeeld, veelbelovend in de ontwikkeling van vaste elektrolyten voor batterijen en brandstofcellen, en voor thermo-elektrische toepassingen.

Echter, de eigenschappen van materialen zijn theoretisch lastig te berekenen en onderzoekers zijn vaak gedwongen om tijdrovende experimenten te gebruiken.

Jonas Klarbring heeft een rekenmethode ontwikkeld die nauwkeurig beschrijft wat er gebeurt als dit soort materiaal wordt verhit en faseovergangen ondergaan. Johan Klarbring en zijn begeleider, Professor Sergej Simak, hebben de resultaten gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Ze hebben bismutoxide bestudeerd, Bi ₂ O ₃ , een materiaal dat bekend staat als een zeer goede ionengeleider. Dit oxide, waar stroom wordt geleid door oxide-ionen, is de beste oxide-ionengeleider van alle bekende vaste materialen. Experimenten hebben aangetoond dat het een lage geleidbaarheid heeft bij lage temperaturen, maar bij verhitting ondergaat het een faseovergang naar een dynamisch ongeordende fase met een hoge ionische geleidbaarheid.

"Het artikel in Physical Review Letters beschrijft hoe we voor het eerst de faseovergang in bismutoxide theoretisch hebben kunnen beschrijven, en bereken de temperatuur waarbij het optreedt. Dit biedt een belangrijke theoretische basis voor de ontwikkeling van, bijvoorbeeld, elektrolyten in brandstofcellen, waar het van belang is om precies te weten wanneer de faseovergang plaatsvindt", zegt Johan Klarbring.

"Ik vertrek vanuit een geordende fase, die goed wordt beschreven door conventionele methoden. Ik gebruik dan een techniek die bekend staat als 'thermodynamische integratie', die ik heb aangepast om met de ongeordende beweging om te gaan. De geordende fase is gekoppeld aan de ongeordende fase, met behulp van een reeks kwantummechanische berekeningen, uitgevoerd in het National Supercomputer Center in LiU."

De theoretische berekeningen komen volledig overeen met hoe het materiaal zich gedraagt ​​in laboratoriumexperimenten.

De onderzoekers zijn nu van plan om de methode te testen op andere interessante materialen, zoals perovskieten, en op materialen met een hoge lithiumionische geleidbaarheid. Deze laatste zijn van belang voor de ontwikkeling van krachtige batterijen.

"Als we eenmaal een diep theoretisch begrip van de materialen hebben, het verbetert de mogelijkheden om ze te optimaliseren voor specifieke toepassingen", concludeert Johan Klarbring.