Fasta material Àr i realiteten inte sÄ fasta som de kan verka i vÄr makrovÀrld. I sjÀlva verket vibrerar varenda atom i materialet runt en viss position. De flesta berÀkningsmodeller som beskriver fasta material bygger pÄ antagandet att atomerna behÄller sin position och inte rör sig speciellt mycket bort frÄn den.
â Det finns material dĂ€r detta inte gĂ€ller, exempelvis material med vĂ€ldigt hög jonledningsförmĂ„ga och material dĂ€r byggstenarna inte bara Ă€r atomer utan ocksĂ„ molekyler. Det gĂ€ller exempelvis för flera av de perovskit-material som Ă€r lovande för framtidens solceller, berĂ€ttar Johan Klarbring, doktorand i teoretisk fysik vid Linköpings universitet.
Perovskiter, definieras av sin kristallstruktur och kan bestÄ av olika material, organiska och oorganiska, och de kan bestÄ av bÄde atomer och molekyler. Atomerna i molekylerna vibrerar men hela molekylen kan ocksÄ rotera, vilket betyder att atomerna rör sig betydligt mer Àn vad som ofta antas i berÀkningsmodellerna.
Dynamiskt oordnade fasta material
De material som beter sig otypiskt i det hÀr avseendet kallas dynamiskt oordnade fasta material. Dynamiska oordnade fasta material har stor potential inom miljövÀnliga applikationer. Material som Àr goda jonledare Àr exempelvis lovande för utveckling av fasta elektrolyter i batterier och brÀnsleceller, men Àven för termoelektriska applikationer.Men hittills har det varit svÄrt för forskarna att teoretiskt förklara och berÀkna hur dessa material beter och de har frÀmst varit hÀnvisade till tidsödande experiment.
Jonas Klarbring har tagit fram en berÀkningsmetod som beskriver vad som hÀnder nÀr materialen vÀrms upp och övergÄr frÄn 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 pÄ Àr vismutoxid, Bi2O3, ett Àmne som Àr kÀnt som en mycket god jonledare. Av alla kÀnda fasta material leder det syrejoner allra bÀst. Man vet frÄn experiment att det har lÄg ledningsförmÄga vid lÄga temperaturer, men nÀr materialet vÀrms upp gÄr det över i en dynamiskt oordnad fas med god jonledningsförmÄga.
â I artikeln i Physical Review Letters har vi för första gĂ„ngen teoretiskt kunna beskriva fasövergĂ„ngen i vismutoxid och vi kan ocksĂ„ berĂ€kna vid vilken temperatur den sker. Detta ger en viktig teoretisk grund för exempelvis utvecklingen av elektrolyter i brĂ€nsleceller dĂ€r det Ă€r viktigt att veta precis nĂ€r fasövergĂ„ngar sker, sĂ€ger Johan Klarbring.
â Det jag har gjort Ă€r att utgĂ„ frĂ„n det ordnade, som Ă€r vĂ€l beskrivet med konventionella metoder. BerĂ€kningsmetoden bygger sedan pĂ„ sĂ„ kallad termodynamisk integration som har anpassats för att hantera den oordnade rörelsen. Med hjĂ€lp av en serie kvantmekaniska berĂ€kningar, utförda vid Nationellt superdatorcentrum vid LiU, kopplas sĂ„ det ordnade ihop med det oordnade, sĂ€ger han.
Perovskiter nÀsta
De teoretiska berÀkningarna stÀmmer ocksÄ till fullo med hur materialet fungerar i praktiska experiment.
Forskarna ska nu testa metoden pÄ andra intressanta material, som perovskiter, liksom pÄ material med god ledningsförmÄga av litiumjoner - högintressanta i batterier.
â NĂ€r vi har den djupa teoretiska förstĂ„elsen ökar vĂ„ra möjligheter att optimera materialen för specifika applikationer, konstaterar Johan Klarbring.
Forskningen finansieras av VetenskapsrÄdet, VR, samt via regeringens strategiska satsning pÄ Avancerade funktionella material, AFM, vid Linköpings universitet.
Artikeln: Johan Klarbring, Sergei I Simak, Linköping University, Physical Review Letters 121, 2018.
DOI 10.1103/PhysRevLett.121.225702
