Een team van onderzoekers onder leiding van Oak Ridge National Laboratory-microscopist Miaofang Chi en Vanderbilt-theoretisch fysicus Sokrates Pantelides heeft een nieuwe Scanning Transmission Electron Microscope-techniek gebruikt om de elektronenverdeling in ionische verbindingen, bekend als elektriden, in beeld te brengen, met name de elektronen die losjes in de zakken zweven en verschijnen gescheiden van het atomaire netwerk.

De nieuwe techniek, differentieel fasecontrast in STEM, meet en brengt elektrische velden en ladingsverdelingen in een materiaal in kaart. Het onderzoek is de eerste keer dat DPC op deze manier wordt gebruikt. Door ladingsbeelden van tientallen van dergelijke kanalen te analyseren, het team ontdekte dat slechts enkele de negatieve lading bevatten die werd voorspeld door theoretische berekeningen, terwijl andere aanzienlijk minder negatieve of zelfs een kleine concentratie positieve lading hebben. De decennialange ervaring van Pantelides met waterstof leidde tot de suggestie dat sporen van waterstof, die in wezen onmogelijk te elimineren zijn, zijn verantwoordelijk voor de waargenomen inhomogeniteit, en daaropvolgende gedetailleerde berekeningen bevestigden de hypothese. Neutronenverstrooiingsexperimenten leverden bewijs ter ondersteuning van het waterstofscenario.

Pantelides verwacht dat veel natuurkundigen en ingenieurs de resultaten van deze studie zullen gebruiken om hun onderzoek te informeren, aangezien alle moderne technologie is gebaseerd op elektronische eigenschappen van materialen.

Een grensverleggend onderzoeksgebied dat in de afgelopen 10 jaar een vlucht nam, "elektroden waren traag te begrijpen vanwege hun vreemde eigenschappen, " zei Chi, een onderzoeksmedewerker bij het Centre for Nanophase Materials Sciences van ORNL. "Dit werk biedt een techniek die deze elektronen direct visualiseert en kwantificeert, die zich gedragen als een atoom zonder kern, het verstrekken van een uniek hulpmiddel om elektroden te onderzoeken."

"De materialen zijn veelbelovend, " zei Pantelides, University Distinguished Professor of Physics and Engineering en William A. &Nancy F. McMinn Professor of Physics. "We verwachten dat dit werk zal worden gebruikt in zowel experimentele als theoretische analyse van de exotische eigenschappen in elektroden en de rol die waterstof kan hebben in hun gedrag."

Momenteel, computerwetenschappers zetten machine learning-technieken in om materialen met elektrodensignaturen snel te identificeren, zodat ze verder kunnen worden onderzocht. Het is al bekend dat elektroden goed zijn voor het opslaan van waterstof, kunnen worden gebruikt als katalysatoren, voeren sterke stromen vanwege hun hoge elektronenmobiliteit en vertonen vaak onconventioneel magnetisme, zelfs supergeleiding. Deze en andere eigenschappen maken hun ontwikkeling aantrekkelijk voor een reeks opkomende technologieën.