11 februari 2019

Teoretiska fysiker vid Linköpings 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.

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

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

Kontakt

Nyheter AFM

Person (Jie Zhou) pekar på en datorskärm.

Ny värld av 2D-material öppnas

Material som är extremt tunna får ovanliga egenskaper som gör dem lämpliga för bland annat energilagring, katalys och vattenrening. Nu har forskare vid LiU utvecklat en metod där hundratals nya 2D-material kan skapas.

Tre personer i labbrock står och pratar.

Bättre neutronspeglar kan avslöja materiens inre hemligheter

Med bättre neutronspeglar kan effektiviteten vid materialanalyser i neutronkällor bli högre. Den förbättrade spegeln har LiU-forskare utvecklat genom att belägga en kiselplatta med tunna lager av järn och kisel blandat med borkarbid.

Person i labbrock och handskar häller en blå vätska på en glasyta.

Miljövänligare metod för att skapa organiska halvledare

Forskare vid LiU har utvecklat ett nytt miljövänligare sätt att skapa ledande bläck för användning i organisk elektronik som solceller och konstgjorda nervceller. Fynden banar väg för framtidens hållbara teknologi.

Senaste nytt från LiU

Kaj Holmberg och Roghayeh Hajizadeh

Effektivisering av snöröjning i städer

Forskare på Matematiska institutionen vid Linköping har tagit fram en matematisk modell om hur snöröjning kan optimeras i svenska städer.

Man som står i en matbutik

Edvin pausade studierna och startade obemannad matbutikskedja

Edvin Johansson pausade studierna på civilingenjörsprogrammet i Industriell ekonomi för att starta AutoMat, en obemannad matbutikskedja. Nu är han tillbaka på campus med sin hittills största butik – belägen mitt i det myllrande studentlivet.

Person (Jie Zhou) pekar på en datorskärm.

Ny värld av 2D-material öppnas

Material som är extremt tunna får ovanliga egenskaper som gör dem lämpliga för bland annat energilagring, katalys och vattenrening. Nu har forskare vid LiU utvecklat en metod där hundratals nya 2D-material kan skapas.