һ±¾µÀ

11 februari 2019

Teoretiska fysiker vid һ±¾µÀs universitet har tagit fram en metod som gör det möjligt att beräkna övergången från en fas till en annan i en speciell grupp av fasta material. Det handlar om material väl lämpade för miljövänliga applikationer.

Fotograf: THOR BALKHED
Johan Klarbrings teoretiska beräkningar stämmer väl överens med hur materialen fungerar i praktiska experiment. 

Fasta material är i realiteten inte så fasta som de kan verka i vår makrovärld. I själva verket vibrerar varenda atom i materialet runt en viss position. De flesta beräkningsmodeller som beskriver fasta material bygger på antagandet att atomerna behåller sin position och inte rör sig speciellt mycket bort från den.

– Det finns material där detta inte gäller, exempelvis material med väldigt hög jonledningsförmåga och material där byggstenarna inte bara är atomer utan också molekyler. Det gäller exempelvis för flera av de perovskit-material som är lovande för framtidens solceller, berättar Johan Klarbring, doktorand i teoretisk fysik vid Linköpings universitet.

Perovskiter, definieras av sin kristallstruktur och kan bestå av olika material, organiska och oorganiska, och de kan bestå av både atomer och molekyler. Atomerna i molekylerna vibrerar men hela molekylen kan också rotera, vilket betyder att atomerna rör sig betydligt mer än vad som ofta antas i beräkningsmodellerna.

Dynamiskt oordnade fasta material

De material som beter sig otypiskt i det här avseendet kallas dynamiskt oordnade fasta material. Dynamiska oordnade fasta material har stor potential inom miljövänliga applikationer. Material som är goda jonledare är exempelvis lovande för utveckling av fasta elektrolyter i batterier och bränsleceller, men även för termoelektriska applikationer.

Men hittills har det varit svårt för forskarna att teoretiskt förklara och beräkna hur dessa material beter och de har främst varit hänvisade till tidsödande experiment.
Jonas Klarbring har tagit fram en beräkningsmetod som beskriver vad som händer när materialen värms upp och övergår från en fas till en annan. Resultatet har Johan Klarbring och hans handledare, professor Sergei Simak, publicerat i den vetenskapliga tidskriften Physical Review Letters.

Vismutoxid

Exemplet de har tittat på är vismutoxid, Bi2O3, ett ämne som är känt som en mycket god jonledare. Av alla kända fasta material leder det syrejoner allra bäst. Man vet från experiment att det har låg ledningsförmåga vid låga temperaturer, men när materialet värms upp går det över i en dynamiskt oordnad fas med god jonledningsförmåga.

– I artikeln i Physical Review Letters har vi för första gången teoretiskt kunna beskriva fasövergången i vismutoxid och vi kan också beräkna vid vilken temperatur den sker. Detta ger en viktig teoretisk grund för exempelvis utvecklingen av elektrolyter i bränsleceller där det är viktigt att veta precis när fasövergångar sker, säger Johan Klarbring.

– Det jag har gjort är att utgå från det ordnade, som är väl beskrivet med konventionella metoder. Beräkningsmetoden bygger sedan på så kallad termodynamisk integration som har anpassats för att hantera den oordnade rörelsen. Med hjälp av en serie kvantmekaniska beräkningar, utförda vid Nationellt superdatorcentrum vid LiU, kopplas så det ordnade ihop med det oordnade, säger han.

Perovskiter nästa

De teoretiska beräkningarna stämmer också till fullo med hur materialet fungerar i praktiska experiment.

Forskarna ska nu testa metoden på andra intressanta material, som perovskiter, liksom på material med god ledningsförmåga av litiumjoner - högintressanta i batterier.

– När vi har den djupa teoretiska förståelsen ökar våra möjligheter att optimera materialen för specifika applikationer, konstaterar Johan Klarbring.

Forskningen finansieras av Vetenskapsrådet, VR, samt via regeringens strategiska satsning på Avancerade funktionella material, AFM, vid Linköpings universitet.

Artikeln: Johan Klarbring, Sergei I Simak, Linköping University, Physical Review Letters 121, 2018.
DOI 10.1103/PhysRevLett.121.225702

Kontakt

Nyheter AFM

En närbild av en person som håller i en kamera.

LiU-forskare flyttar gränsen för organiska solceller

Nu har forskare vid һ±¾µÀs universitet visat hur organiska solceller kan bli mer effektiva än man tidigare trodde var möjligt. Nyckeln är att förlänga tiden elektronerna i materialet är exciterade vilket leder till bättre prestanda.

Några män står bredvid varandra framför en svart tavla.

Forskare efterliknar hjärtmuskelceller med ledande plast

För första gången har forskare lyckats efterlikna jonsignaleringen hos hjärtmuskelceller på konstgjord väg. För att lyckas har LiU-forskarna använt organisk elektronik baserad på ledande plaster. Fynden öppnar bland annat för nya typer av implantat.

En kristall som sitter på en svart duk.

Kvantbitar skapas med oväntade material

För första gången har forskare visat att egenskaper hos materialfamiljen perovskiter kan användas för att skapa så kallade kvantbitar. Fynden banar väg för billigare material i framtidens kvantdatorer.

Senaste nytt från LiU

Ett klädställ framför ett skyltfönster.

När handeln blir cirkulär måste logistiken följa med

En ny studie vid һ±¾µÀs universitet visar att den befintliga logistiken kan vara både en viktig resurs och ett hinder i den cirkulära omställningen.

Porträtt på man som står i solen bland gröna träd på Campus Valla

Ny professor forskar om vem som får chansen

Två identiska jobbansökningar. Den ena med ett arabiskt klingande namn. Experiment med fiktiva ansökningar inledde Magnus Carlssons forskning om diskriminering och människors livschanser. Nu är han ny professor i nationalekonomi vid LiU.

En kvinna som sitter framför en spegel och tittar på sin spegelbild.

Så förändrar AI hur vi fattar beslut

AI kan hitta mönster som människor missar, men det leder inte automatiskt till bättre beslut. Ny forskning från һ±¾µÀs universitet visar hur människans och AI:s roller förändras beroende på situationen och vilket beslut som ska fattas.