林克平大學(xué)理論物理學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種計(jì)算方法來(lái)計(jì)算動(dòng)態(tài)無(wú)序固體材料從一種相變到另一種相變的過(guò)程，這是一種可用于許多環(huán)保應(yīng)用的材料。固體材料實(shí)際上并不像看上去那么堅(jiān)固。通常情況下，每個(gè)原子都在材料的某個(gè)位置附近振動(dòng)。

大多數(shù)旨在描述固體材料的理論模型都是建立在原子保持其位置并且不遠(yuǎn)離它們的假設(shè)之上。但對(duì)于某些材料，如具有很高離子導(dǎo)電性的材料，以及那些不僅是原子而且是分子的材料，情況就不一樣了。林克平大學(xué)理論物理學(xué)博士生約翰?克拉布林告訴我們，幾種有前途的太陽(yáng)能電池材料就是這種鈣鈦礦。

博科園-科學(xué)科普：鈣鈦礦由其晶體結(jié)構(gòu)決定，有不同的形式，成分可以是原子也可以是分子。分子中的原子會(huì)振動(dòng)，但整個(gè)分子也會(huì)旋轉(zhuǎn)，這意味著原子的移動(dòng)幅度比計(jì)算中通常假設(shè)的要大得多。表現(xiàn)出這種非典型行為的材料被稱為“動(dòng)態(tài)無(wú)序固體材料”。動(dòng)態(tài)無(wú)序固體材料在環(huán)境敏感領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。例如，良好的離子導(dǎo)體材料在電池、燃料電池和熱電應(yīng)用固體電解質(zhì)的開(kāi)發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，材料的性質(zhì)在理論上很難計(jì)算，研究人員經(jīng)常被迫使用耗時(shí)的實(shí)驗(yàn)。Jonas Klarbring開(kāi)發(fā)了一種計(jì)算方法，可以準(zhǔn)確地描述當(dāng)這些類型的物質(zhì)被加熱并經(jīng)歷相變時(shí)會(huì)發(fā)生什么。

約翰·克拉布林和他的導(dǎo)師謝爾蓋·西馬克教授在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表了這一研究結(jié)果。他們研究了氧化鉍，Bi2O3，一種被認(rèn)為是很好的離子導(dǎo)體的材料。這種氧化物是所有已知固體材料中最好的氧化物離子導(dǎo)體，它的電流由氧化物離子傳導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)表明，它在低溫下具有較低的導(dǎo)電性，但當(dāng)加熱時(shí)，它會(huì)經(jīng)歷一個(gè)相變，變成一個(gè)動(dòng)態(tài)無(wú)序的高離子導(dǎo)電性相。這篇發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的論文描述了我們?nèi)绾文軌蚴状螐睦碚撋厦枋鲅趸G的相變，并計(jì)算出它發(fā)生時(shí)的溫度。

這為燃料電池中電解質(zhì)的發(fā)展提供了重要理論基礎(chǔ)，在燃料電池中準(zhǔn)確地知道相變發(fā)生時(shí)間是很重要的。從一個(gè)有序的階段開(kāi)始，這個(gè)階段用傳統(tǒng)方法描述得很好。然后使用一種被稱為“熱力學(xué)積分”的技術(shù)，用它來(lái)處理無(wú)序運(yùn)動(dòng)。在國(guó)家超級(jí)計(jì)算機(jī)中心進(jìn)行的一系列量子力學(xué)計(jì)算幫助下，有序相與無(wú)序相耦合，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)材料的性能完全一致。研究人員現(xiàn)在計(jì)劃在其他有趣的材料上測(cè)試這種方法，比如鈣鈦礦，以及具有高鋰離子電導(dǎo)率的材料。后者對(duì)高性能電池的發(fā)展很有興趣。一旦我們對(duì)這些材料有了深入的理論理解，它就提高了為特定應(yīng)用優(yōu)化它們的可能性！

博科園-科學(xué)科普｜研究/來(lái)自:?林克平大學(xué)

參考期刊文獻(xiàn):《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.225702

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