Kedjor av atomer far runt i fasta material

Davide Sangiovanni Foto Anna Nilsen– Fenomenet vi upptäckt ritar om kartan för det vi vet om masstransport i metaller. Det förklarar några av de beteenden hos metaller som vi tidigare inte kunnat förstå. Vad det här betyder rent praktiskt är det för tidigt att svara på, men ju mer kunskap vi har om hur material fungerar under olika förhållanden, desto större möjligheter har vi att utveckla material med förbättrade eller nya egenskaper, säger Davide Sangiovanni, forskare vid avdelningen Teoretisk fysik vid LIU och huvudförfattare till en artikel som publicerats i Physical Review Letters.

Stör inte kristallstrukturen

I fasta material, som metaller, ligger atomerna väl ordnade i en kristallstruktur på bestämda avstånd från varandra. Diffusion uppstår när någon enstaka atom tar ett hopp till en vakans - ett hål - inne i materialet. Detta beror då på att materialet innehåller defekter. Tidigare forskning har också visat att i vissa fall kan långa kedjor av atomer/joner inne i ett material plötsligt börja förflytta sig men förvånansvärt hög hastighet. Detta gäller dock under speciella förhållanden. Exempel är snabba jonledare vid höga temperaturer eller vatten och järn som utsätts för det höga tryck som finns i planeters inre. Förflyttningen går på en nano- eller picosekund och påverkar inte kristallens struktur. Fenomenet brukar kallas samordnad diffusion, superjonisk diffusion eller vätskelik diffusion och har rapporterats i ett antal tidigare artiklar.

Masstransport i titanNyheten här är att Davide Sangiovanni, tillsammans med kollegor vid Linköpings universitet och universitet i Tyskland och Ryssland, funnit samma diffusions-fenomen i den kubiska fasen av rent titan. Detta vid normalt atmosfärstryck och en temperatur under smältpunkten. (Kubisk fas innebär att atomerna inne i det fasta materialet är ordnade i en kubisk form)

Samordnad diffusion

Titan, zirkonium och hafnium, som alla ligger i grupp fyra i det periodiska systemet, har flera gemensamma och karakteristiska egenskaper som forskarna tidigare inte haft någon teoretisk förklaring till.

– Vi visar i artikeln att dessa egenskaper beror på samordnad diffusion, då kedjor av atomer blixtsnabbt far runt i den fasta kristallen, säger Davide Sangiovanni.

Simuleringarna är utförda vid svenska Nationella superdatorcentrum och forskningen har finansierats av Olle Engkvist Foundation, Vetenskapsrådet, den strategiska satsningen på Avancerade funktionella material, AFM, vid Linköpings universitet, samt FunMat-II, ett VINN-Excellence center vid LiU, finansierat av Vinnova.

Superioniclike Diffusion in an Elemental Crystal: bcc Titanium, D. G. Sangiovanni, J. Klarbring, D Smirnova, N. V. Skripnyak, D. Gambino, M. Mrovec, S. I. Simak, and I. A. Abrikosov. Physical Review Letters 2019. DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.105501