Исследовательская группа под руководством Университета Осаки, работающая совместно с Национальным институтом передовых промышленных наук и технологий (AIST), RIKEN и Токийским институтом науки, открыла фундаментальный механизм суперионной проводимости, при которой ионы быстро перемещаются в твердом теле, в то время как его кристаллическая структура остается неизменной.
Используя простую физическую модель, исследователи связали «плавление субрешеток» с кооперативным и пространственно неоднородным ионным транспортом. Полученные результаты дают единое объяснение суперионной проводимости и могут помочь в разработке твердотельных аккумуляторов следующего поколения.
Суперионные проводники — это твердые материалы, в которых определенные ионы движутся почти так же свободно, как в жидкости, что делает их привлекательными для использования в твердотельных аккумуляторах. Традиционно их изучали на примере отдельных материалов, поскольку реальные материалы часто имеют сложную кристаллическую структуру и химический состав. Из-за этого было сложно выявить основной физический механизм, лежащий в основе суперионной проводимости, независимо от химического состава конкретного материала.
Команда исследователей создала химически нейтральную модель, содержащую жесткую решетку из частиц-носителей и более мелких подвижных частиц-переносчиков. В нем сохранились только те взаимодействия, которые считаются необходимыми для суперионной проводимости: сильное короткодействующее отталкивание, стабилизирующее кристаллическую решетку, и более слабые взаимодействия на больших расстояниях между носителями заряда.
По мере повышения температуры носители заряда теряли упорядоченное расположение и начинали двигаться подобно жидкости, в то время как кристаллическая решетка основного материала оставалась неизменной. Такая избирательная потеря упорядоченности называется плавлением подрешеток. Вблизи точки перехода носители заряда не перескакивали независимо друг от друга с одного места на другое. Они двигались согласованно, образуя пространственно неоднородные, нитевидные структуры.
Исследователи также обнаружили, что все более ангармоничные или не похожие на пружинящие колебания решетки смягчают локальную среду носителей заряда и способствуют их коллективному движению. Изменение плотности частиц смещало точку начала плавления подрешеток, а моделирование с использованием трехмерной модели йодида серебра воспроизвело аналогичные режимы переноса.
Поскольку модель отражает основные физические процессы, не опираясь на конкретную химическую структуру, ее выводы применимы ко многим материалам. Ожидается, что полученные результаты позволят разработать принципы проектирования твердотельных аккумуляторов и материалов для преобразования энергии следующего поколения с высокой ионной проводимостью, что будет способствовать созданию более эффективных материалов.
«Суперионную проводимость долгое время было трудно понять из-за сложности реальных материалов, — говорит старший автор исследования Такеши Кавасаки. — Преднамеренно начав с простой модели, мы выявили универсальные физические принципы, которые помогут в разработке материалов с ионной проводимостью».
Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
