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: Phase Stability of Dynamically Disordered Solids from First Principles, Johan Klarbring, Sergei I Simak, Linköping University, Physical Review Letters 121, 2018.
DOI 10.1103/PhysRevLett.121.225702
