Atomrörelse i en kristallin oxid som användes som katod i Li-ion-batterier demonstrerades direkt genom toppmodern transmissionselektronmikroskopi, avslöjar den övergående vägen för en kemisk ordningsreaktion.

Även om två kristallina system har en identisk kristallstruktur med samma totala sammansättning, deras fysikaliska egenskaper kan variera anmärkningsvärt i förhållande till varandra, starkt beroende på om de sammansatta atomerna är ordnade på ett ordnat sätt eller inte. Identifieringen och efterföljande kontroll av kemikalieordningen i flerkomponents kristallina system har, Således, varit bland de centrala frågorna inom strukturkemin under de senaste decennierna. Ett antal binära metallegeringar fungerar som prototypiska exempel som enkelt visar hur graden av kemisk ordning påverkar de resulterande fysikaliska egenskaperna, såsom den elektriska resistiviteten, magnetisk känslighet, och plastisk deformationsbeteende hos kristaller. Dessutom, många anmärkningsvärda studier har utvidgats även till att klarlägga lokal kemisk ordning och visualisering av störningar i atomär skala av antisiteutbyte för bättre katalytisk prestanda och energiomvandling/lagringseffektivitet.

Prof. Sung-Yoon Chungs grupp i Graduate School of EEWS (Energy, Miljö, Vatten, and Sustainability) vid Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) har framgångsrikt visat hur katjonordningen sker i Li(Mn1.5Ni0.5)O4-spinell, som är ett lovande katodmaterial för högspännings Li-ion-batterier. För att konsekvent tillhandahålla en integrerad mängd experimentella och teoretiska bevis, kombinerade tekniker användes, inklusive högupplöst elektronmikroskopi (HREM) och sveptransmissionselektronmikroskopi (STEM) för direkta observationer i atomskala, in situ bildfångst i STEM och högtemperaturröntgenpulverdiffraktion för realtidsundersökningar, och densitetsfunktionsteori (DFT) beräkningar för kvantitativ uppskattning av energibarriären vid beställning. Särskilt, Atomrörelser under beställningsövergången fångades tydligt i realtid i STEM.

En elektronstråle accelererad med hög spänning i TEM kan överföra tillräcklig energi till ett prov, och på denna grund, detta tillvägagångssätt har använts korrekt i nya in situ-studier för realtidsobservationer av fastransformationen, kristall förgrovning, och diffusion av atomer. I föreliggande studie, att inducera atomförskjutningsprocessen och att därefter undersöka bildandet av punktdefekter i Li(Mn1.5Ni0.5)O4, en intensifierad konvergent elektronstråle applicerades på smala områden i en oordnad kristall i STEM. Även om ingen strukturvariation observerades under skanning med elektroner i normalt avbildningsläge, dynamisk fluktuation i kolumnintensiteten mellan de oktaedriska platserna kunde identifieras när en elektronstråle med en högre ström (> 50 pA) skannade ett begränsat område på 3x3 nm2.

Fynden i denna studie illustrerar att hastigheten med vilken ordningsövergången sker starkt beror på hur lätt punktdefekterna kan induceras i gittret. Förutom att belysa den kinetiska vägen för att beställa transformation, den föreliggande studien betonar att rollen av punktdefekter i kristaller inte bara är begränsad till mass- och laddningstransport i allmänhet utan sträcker sig till och med till fasövergångar, där dessa defekter fungerar som en kritisk mediator mellan två faser.

Detta arbete publicerades i Angewandte Chemie International Edition (2015, 54, 7963-7967) och valdes som Inside Back Cover av numret på grund av vikten av direkt observation i detta snabbt utvecklande område av stort intresse.