Физики-теоретики из Университета Линчепинга разработали вычислительный метод для расчета перехода от одной фазы к другой в динамически неупорядоченных твердых материалах. Это класс материалов, которые можно использовать во многих экологически чистых областях.

Йохан Кларбринг, Университет Линчёпинга. Фото: Тор Балхед

Твердые материалы на самом деле не так прочны, как кажутся. Обычно каждый атом фактически колеблется вокруг определенной позиции в материале. Большинство теоретических моделей, нацеленных на описание твердых материалов, основаны на предположении, что атомы сохраняют свои позиции и не удаляются от них очень далеко.

«Это не относится к некоторым материалам, таким как материалы с очень высокой ионной проводимостью, а также к материалам, в которых строительными блоками являются не только атомы, но и молекулы. Такого рода перовскиты, которые являются перспективными материалами для солнечных батарей, относятся именно к этому типу», — говорит нам Йохан Кларбринг, докторант по теоретической физике в Университете Линчёпинга.

Перовскиты определяются своими кристаллическими структурами и имеют разные формы. Их составляющими могут быть как атомы, так и молекулы. Атомы в молекулах вибрируют, но вся молекула также может вращаться, что означает, что атомы движутся значительно больше, чем это часто предполагается в расчетах.

Материалы, которые показывают это нетипичное поведение, известны как «динамически неупорядоченные твердые материалы». Динамически разупорядоченные твердые материалы демонстрируют огромный потенциал в экологически чувствительных применениях. Материалы, которые являются хорошими ионными проводниками, являются, например, перспективными в разработке твердых электролитов для батарей и топливных элементов, а также для термоэлектрических применений.

Тем не менее, свойства материалов было сложно рассчитать теоретически, и исследователи часто были вынуждены использовать трудоемкие эксперименты.

Йонас Кларбринг разработал вычислительный метод, который точно описывает, что происходит, когда эти типы материалов нагреваются и подвергаются фазовым переходам. Йохан Кларбринг и его научный руководитель, профессор Сергей Симак, опубликовали результаты в научном журнале Physical Review Letters.

Они изучили оксид висмута, Bi2O3, материал, который, как известно, является очень хорошим ионным проводником. Этот оксид, в котором ток проходит через оксидные ионы, является лучшим проводником оксидных ионов из всех известных твердых материалов. Эксперименты показали, что он имеет низкую проводимость при низких температурах, но при нагревании он претерпевает фазовый переход в динамически неупорядоченную фазу с высокой ионной проводимостью.

«Статья в Physical Review Letters описывает, как мы впервые смогли теоретически описать фазовый переход в оксиде висмута и рассчитать 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 упорядоченной фазы, которая хорошо описана обычными методами. Затем я использую технику, известную как «термодинамическая интеграция», которую я приспособил для борьбы с неупорядоченным движением. Упорядоченная фаза связана с неупорядоченной фазой с помощью серии квантово-механических расчетов, выполненных в Национальном суперкомпьютерном центре в LiU».

Теоретические расчеты полностью согласуются с тем, как материал ведет себя в лабораторных экспериментах.

Теперь исследователи планируют проверить метод на других интересных материалах, таких как перовскиты, и на материалах с высокой литий-ионной проводимостью. Последние представляют интерес для разработки высокоэффективных аккумуляторов.

«Когда у нас есть глубокое теоретическое понимание материалов, это улучшает возможности их оптимизации для конкретных применений», — заключает Йохан Кларбринг.

По материалам phys.org