每個原子都在振動，動態無序的固體材料！

林克平大學理論物理學家們已經開發出一種計算方法來計算動態無序固體材料從一種相變到另一種相變的過程，這是一種可用於許多環保應用的材料。固體材料實際上並不像看上去那麼堅固。通常情況下，每個原子都在材料的某個位置附近振動。大多數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並且不遠離它們的假設之上。但對於某些材料，如具有很高離子導電性的材料，以及那些不僅是原子而且是分子的材料，情況就不一樣了。林克平大學理論物理學博士生約翰?克拉布林告訴我們，幾種有前途的太陽能電池材料就是這種鈣鈦礦。

博科園-科學科普：鈣鈦礦由其晶體結構決定，有不同的形式，成分可以是原子也可以是分子。分子中的原子會振動，但整個分子也會旋轉，這意味著原子的移動幅度比計算中通常假設的要大得多。表現出這種非典型行為的材料被稱為「動態無序固體材料」。

動態無序固體材料在環境敏感領域具有巨大的應用潛力。例如，良好的離子導體材料在電池、燃料電池和熱電應用固體電解質的開發中具有廣闊的應用前景。然而，材料的性質在理論上很難計算，研究人員經常被迫使用耗時的實驗。Jonas Klarbring開發了一種計算方法，可以準確地描述當這些類型的物質被加熱並經歷相變時會發生什麼。

約翰·克拉布林和他的導師謝爾蓋·西馬克教授在《物理評論快報》上發表了這一研究結果。他們研究了氧化鉍，Bi2O3，一種被認為是很好的離子導體的材料。這種氧化物是所有已知固體材料中最好的氧化物離子導體，它的電流由氧化物離子傳導。實驗表明，它在低溫下具有較低的導電性，但當加熱時，它會經歷一個相變，變成一個動態無序的高離子導電性相。這篇發表在《物理評論快報》上的論文描述了我們如何能夠首次從理論上描述氧化鉍的相變，並計算出它發生時的溫度。

這為燃料電池中電解質的發展提供了重要理論基礎，在燃料電池中準確地知道相變發生時間是很重要的。從一個有序的階段開始，這個階段用傳統方法描述得很好。然後使用一種被稱為「熱力學積分」的技術，用它來處理無序運動。在國家超級計算機中心進行的一系列量子力學計算幫助下，有序相與無序相耦合，理論計算與實驗材料的性能完全一致。研究人員現在計劃在其他有趣的材料上測試這種方法，比如鈣鈦礦，以及具有高鋰離子電導率的材料。後者對高性能電池的發展很有興趣。一旦我們對這些材料有了深入的理論理解，它就提高了為特定應用優化它們的可能性！

博科園-科學科普｜研究/來自: 林克平大學

參考期刊文獻:《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.225702

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