Teoretiska fysiker vid Linköpings universitet har utvecklat en beräkningsmetod för att beräkna övergången från en fas till en annan i dynamiskt störda fasta material. Detta är en klass av material som kan användas i många miljövänliga applikationer.

Fasta material är i verkligheten inte riktigt så solida som de verkar. I vanliga fall, varje atom vibrerar faktiskt runt en viss position i materialet. De flesta teoretiska modeller som syftar till att beskriva fasta material är baserade på antagandet att atomerna behåller sina positioner och inte rör sig särskilt långt från dem.

"Detta är inte fallet för vissa material, såsom material med mycket hög jonisk konduktivitet och de där byggstenarna inte bara är atomer utan också molekyler. Flera av de perovskiter som är lovande material för solceller är av detta slag ", Johan Klarbring, doktorand i teoretisk fysik vid Linköpings universitet, berättar för oss.

Perovskiter definieras av sina kristallstrukturer och finns i olika former. Deras beståndsdelar kan vara både atomer och molekyler. Atomerna i molekylerna vibrerar, men hela molekylen kan också rotera, vilket innebär att atomerna rör sig betydligt mer än vad som ofta antas i beräkningarna.

Material som visar detta atypiska beteende är kända som "dynamiskt störda fasta material". Dynamiskt störda fasta material visar en enorm potential i miljökänsliga applikationer. Material som är bra jonledare är, till exempel, lovande i utvecklingen av fasta elektrolyter för batterier och bränsleceller, och för termoelektriska applikationer.

Dock, materialens egenskaper har varit knepiga att beräkna teoretiskt och forskare har ofta tvingats använda tidskrävande experiment.

Jonas Klarbring har utvecklat en beräkningsmetod som exakt beskriver vad som händer när dessa typer av material värms upp och genomgår fasövergångar. Johan Klarbring och hans handledare, Professor Sergei Simak, har publicerat resultaten i den vetenskapliga tidskriften Fysiska granskningsbrev .

De har studerat vismutoxid, Bi ₂ O ₃ , ett material som är känt för att vara en mycket bra jonisk ledare. Denna oxid, där ström styrs av oxidjoner, är den bästa oxidjonledaren av alla kända fasta material. Experiment har visat att den har låg konduktivitet vid låga temperaturer, men vid uppvärmning genomgår den en fasövergång till en dynamiskt störd fas med hög jonledningsförmåga.

"Artikeln i Physical Review Letters beskriver hur vi för första gången har kunnat teoretiskt beskriva fasövergången i vismutoxid, och beräkna temperaturen vid vilken den inträffar. Detta ger en viktig teoretisk grund för utvecklingen av, till exempel, elektrolyter i bränsleceller, där det är viktigt att veta exakt när fasövergången äger rum ", säger Johan Klarbring.

"Jag utgår från en ordnad fas, vilket beskrivs väl med konventionella metoder. Jag använder sedan en teknik som kallas 'termodynamisk integration', som jag har anpassat för att hantera den oordnade rörelsen. Den ordnade fasen är kopplad till den oordnade, med hjälp av en serie kvantmekaniska beräkningar, utförs på National Supercomputer Center vid LiU. "

De teoretiska beräkningarna överensstämmer helt med hur materialet beter sig i laboratorieexperiment.

Forskarna planerar nu att testa metoden på andra intressanta material, som perovskiter, och på material med hög litiumjonisk konduktivitet. De senare är av intresse för utvecklingen av högpresterande batterier.

"När vi väl har en djup teoretisk förståelse för materialen, det förbättrar möjligheterna att optimera dem för specifika applikationer ", avslutar Johan Klarbring.