Fasta material 盲r i realiteten inte s氓 fasta som de kan verka i v氓r makrov盲rld. I sj盲lva verket vibrerar varenda atom i materialet runt en viss position. De flesta ber盲kningsmodeller som beskriver fasta material bygger p氓 antagandet att atomerna beh氓ller sin position och inte r枚r sig speciellt mycket bort fr氓n den.
鈥� Det finns material d盲r detta inte g盲ller, exempelvis material med v盲ldigt h枚g jonledningsf枚rm氓ga och material d盲r byggstenarna inte bara 盲r atomer utan ocks氓 molekyler. Det g盲ller exempelvis f枚r flera av de perovskit-material som 盲r lovande f枚r framtidens solceller, ber盲ttar Johan Klarbring, doktorand i teoretisk fysik vid Link枚pings universitet.
Perovskiter, definieras av sin kristallstruktur och kan best氓 av olika material, organiska och oorganiska, och de kan best氓 av b氓de atomer och molekyler. Atomerna i molekylerna vibrerar men hela molekylen kan ocks氓 rotera, vilket betyder att atomerna r枚r sig betydligt mer 盲n vad som ofta antas i ber盲kningsmodellerna.
Dynamiskt oordnade fasta material
De material som beter sig otypiskt i det h盲r avseendet kallas dynamiskt oordnade fasta material. Dynamiska oordnade fasta material har stor potential inom milj枚v盲nliga applikationer. Material som 盲r goda jonledare 盲r exempelvis lovande f枚r utveckling av fasta elektrolyter i batterier och br盲nsleceller, men 盲ven f枚r termoelektriska applikationer.Men hittills har det varit sv氓rt f枚r forskarna att teoretiskt f枚rklara och ber盲kna hur dessa material beter och de har fr盲mst varit h盲nvisade till tids枚dande experiment.
Jonas Klarbring har tagit fram en ber盲kningsmetod som beskriver vad som h盲nder n盲r materialen v盲rms upp och 枚verg氓r fr氓n 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 p氓 盲r vismutoxid, Bi2O3, ett 盲mne som 盲r k盲nt som en mycket god jonledare. Av alla k盲nda fasta material leder det syrejoner allra b盲st. Man vet fr氓n experiment att det har l氓g ledningsf枚rm氓ga vid l氓ga temperaturer, men n盲r materialet v盲rms upp g氓r det 枚ver i en dynamiskt oordnad fas med god jonledningsf枚rm氓ga.
鈥� I artikeln i Physical Review Letters har vi f枚r f枚rsta g氓ngen teoretiskt kunna beskriva fas枚verg氓ngen i vismutoxid och vi kan ocks氓 ber盲kna vid vilken temperatur den sker. Detta ger en viktig teoretisk grund f枚r exempelvis utvecklingen av elektrolyter i br盲nsleceller d盲r det 盲r viktigt att veta precis n盲r fas枚verg氓ngar sker, s盲ger Johan Klarbring.
鈥� Det jag har gjort 盲r att utg氓 fr氓n det ordnade, som 盲r v盲l beskrivet med konventionella metoder. Ber盲kningsmetoden bygger sedan p氓 s氓 kallad termodynamisk integration som har anpassats f枚r att hantera den oordnade r枚relsen. Med hj盲lp av en serie kvantmekaniska ber盲kningar, utf枚rda vid Nationellt superdatorcentrum vid LiU, kopplas s氓 det ordnade ihop med det oordnade, s盲ger han.
Perovskiter n盲sta
De teoretiska ber盲kningarna st盲mmer ocks氓 till fullo med hur materialet fungerar i praktiska experiment.
Forskarna ska nu testa metoden p氓 andra intressanta material, som perovskiter, liksom p氓 material med god ledningsf枚rm氓ga av litiumjoner - h枚gintressanta i batterier.
鈥� N盲r vi har den djupa teoretiska f枚rst氓elsen 枚kar v氓ra m枚jligheter att optimera materialen f枚r specifika applikationer, konstaterar Johan Klarbring.
Forskningen finansieras av Vetenskapsr氓det, VR, samt via regeringens strategiska satsning p氓 Avancerade funktionella material, AFM, vid Link枚pings universitet.
Artikeln: Johan Klarbring, Sergei I Simak, Link枚ping University, Physical Review Letters 121, 2018.
DOI 10.1103/PhysRevLett.121.225702
