Kuinka ionit virtaavat nesteen tavoin kiinteän kiteen läpi

Osakan yliopiston johtama japanilaistutkijoiden ryhmä on tuonut esiin superionisen johtavuuden taustalla olevan perustavanlaatuisen mekanismin, jossa ionit liikkuvat nopeasti kiinteän aineen läpi niin, että sen kiteinen rakenne pysyy ehjänä.

Tulokset tarjoavat yhtenäisen selityksen superioniselle johtavuudelle ja voisivat auttaa ohjaamaan seuraavan sukupolven kiintoaineakkujen suunnittelua.

Superionijohteet ovat kiinteitä materiaaleja, joissa tietyt ionit liikkuvat lähes yhtä vapaasti kuin nesteessä, mikä tekee niistä houkuttelevia kiinteän olomuodon akuille. Niitä on perinteisesti tutkittu materiaali kerrallaan, koska todellisilla materiaaleilla on usein monimutkaiset kiderakenteet ja kemialliset koostumukset. Tämä on vaikeuttanut superionijohtavuuden taustalla olevan olennaisen fyysisen mekanismin tunnistamista riippumatta yksittäisen materiaalin kemiasta.

Tiimi rakensi kemiallisesti neutraalin mallin, joka sisälsi isäntähiukkasten ja pienempien liikkuvien kantajahiukkasten jäykän hilan. Se säilytti vain superionisen johtavuuden kannalta välttämättömiksi katsotut vuorovaikutukset: voimakkaan, lyhyen kantaman hylkimisen, joka vakauttaa isäntärakenteen, ja pehmeämmät, pidemmän kantaman vuorovaikutukset kantajien välillä.

Lämpötilan noustessa varauksenkuljettajat menettivät järjestyksensä ja alkoivat liikkua nesteen tavoin, kun taas isäntähila pysyi kiteisenä. Tätä valikoivaa järjestyksen menetystä kutsutaan alihilan sulamiseksi.

Lähellä siirtymää avaruuden kantajat eivät yksinkertaisesti hypelleet itsenäisesti kiinteiden paikkojen välillä, vaan ne liikkuivat yhteistyössä spatiaalisesti heterogeenisissä, säikeen kaltaisissa kuvioissa.

Koska malli kuvaa olennaisia fysiikan periaatteita tukeutumatta mihinkään tiettyyn kemiaan, sen johtopäätökset soveltuvat laajasti moniin materiaaleihin.

Tulosten odotetaan tarjoavan suunnitteluperiaatteita seuraavan sukupolven kiintoaineakuille ja energianmuunnosmateriaaleille, joilla on korkea ionijohtavuus, mikä edistää tehokkaampaa materiaalien kehittämistä.

"Superionisen johtavuuden ymmärtäminen on pitkään ollut vaikeaa todellisten materiaalien monimutkaisuuden vuoksi", sanoo vanhempi kirjoittaja Takeshi Kawasaki. "Lähtökohtanamme tarkoituksella yksinkertaisesta mallista tunnistimme laajasti sovellettavaa fysiikkaa, joka voisi ohjata uusien ionijohtavien materiaalien suunnittelua."

Aiheesta aiemmin:

Uusi elektrolyytti antaa ionien virrata

Akkututkimuksia atomien ja sienien tasolla

Superioninen johde ja muita akku-uutisia