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每个原子都在振动,动态无序的固体材料!

2019-02-12 11:22 来源:未知

每个原子都在振动,动态无序的固体材料!


林克平大学理论物理学家们已经开发出一种计算方法来计算动态无序固体材料从一种相变到另一种相变的过程,这是一种可用于许多环保应用的材料。固体材料实际上并不像看上去那么坚固。通常情况下,每个原子都在材料的某个位置附近振动。大多数旨在描述固体材料的理论模型都是建立在原子保持其位置并且不远离它们的假设之上。但对于某些材料,如具有很高离子导电性的材料,以及那些不仅是原子而且是分子的材料,情况就不一样了。林克平大学理论物理学博士生约翰克拉布林告诉我们,几种有前途的太阳能电池材料就是这种钙钛矿。


博科园-科学科普:钙钛矿由其晶体结构决定,有不同的形式,成分可以是原子也可以是分子。分子中的原子会振动,但整个分子也会旋转,这意味着原子的移动幅度比计算中通常假设的要大得多。表现出这种非典型行为的材料被称为“动态无序固体材料”。动态无序固体材料在环境敏感领域具有巨大的应用潜力。例如,良好的离子导体材料在电池、燃料电池和热电应用固体电解质的开发中具有广阔的应用前景。然而,材料的性质在理论上很难计算,研究人员经常被迫使用耗时的实验。Jonas Klarbring开发了一种计算方法,可以准确地描述当这些类型的物质被加热并经历相变时会发生什么。


约翰·克拉布林和他的导师谢尔盖·西马克教授在《物理评论快报》上发表了这一研究结果。他们研究了氧化铋,Bi2O3,一种被认为是很好的离子导体的材料。这种氧化物是所有已知固体材料中最好的氧化物离子导体,它的电流由氧化物离子传导。实验表明,它在低温下具有较低的导电性,但当加热时,它会经历一个相变,变成一个动态无序的高离子导电性相。这篇发表在《物理评论快报》上的论文描述了我们如何能够首次从理论上描述氧化铋的相变,并计算出它发生时的温度。


这为燃料电池中电解质的发展提供了重要理论基础,在燃料电池中准确地知道相变发生时间是很重要的。从一个有序的阶段开始,这个阶段用传统方法描述得很好。然后使用一种被称为“热力学积分”的技术,用它来处理无序运动。在国家超级计算机中心进行的一系列量子力学计算帮助下,有序相与无序相耦合,理论计算与实验材料的性能完全一致。研究人员现在计划在其他有趣的材料上测试这种方法,比如钙钛矿,以及具有高锂离子电导率的材料。后者对高性能电池的发展很有兴趣。一旦我们对这些材料有了深入的理论理解,它就提高了为特定应用优化它们的可能性!