I fisici teorici dell'Università di Linköping hanno sviluppato un metodo computazionale per calcolare la transizione da una fase all'altra in materiali solidi dinamicamente disordinati. Questa è una classe di materiali che può essere utilizzata in molte applicazioni eco-compatibili.

I materiali solidi in realtà non sono così solidi come sembrano. Normalmente, ogni atomo vibra effettivamente intorno a una certa posizione nel materiale. La maggior parte dei modelli teorici che mirano a descrivere i materiali solidi si basano sul presupposto che gli atomi mantengano le loro posizioni e non si allontanino molto da esse.

"Questo non è il caso di alcuni materiali, come i materiali ad altissima conducibilità ionica e quelli in cui gli elementi costitutivi non sono solo atomi ma anche molecole. Molte delle perovskiti che sono materiali promettenti per le celle solari sono di questo tipo", Johan Klarbring, dottorando in fisica teorica presso l'Università di Linköping, ci dice.

Le perovskiti sono definite dalle loro strutture cristalline e sono disponibili in diverse forme. I loro costituenti possono essere sia atomi che molecole. Gli atomi nelle molecole vibrano, ma la molecola completa può anche ruotare, il che significa che gli atomi si muovono molto più di quanto spesso si supponga nei calcoli.

I materiali che mostrano questo comportamento atipico sono noti come "materiali solidi dinamicamente disordinati". I materiali solidi dinamicamente disordinati mostrano un immenso potenziale in applicazioni sensibili all'ambiente. I materiali che sono buoni conduttori ionici sono, Per esempio, promettente nello sviluppo di elettroliti solidi per batterie e celle a combustibile, e per applicazioni termoelettriche.

Però, le proprietà dei materiali sono state difficili da calcolare teoricamente e i ricercatori sono stati spesso costretti a utilizzare esperimenti che richiedono tempo.

Jonas Klarbring ha sviluppato un metodo computazionale che descrive accuratamente cosa succede quando questi tipi di materiale vengono riscaldati e subiscono transizioni di fase. Johan Klarbring e il suo supervisore, Professor Sergei Simak, hanno pubblicato i risultati sulla rivista scientifica Lettere di revisione fisica .

Hanno studiato l'ossido di bismuto, Bi ₂ oh ₃ , un materiale noto per essere un ottimo conduttore ionico. Questo ossido, dove la corrente è condotta da ioni di ossido, è il miglior conduttore di ioni ossido di tutti i materiali solidi conosciuti. Gli esperimenti hanno dimostrato che ha una bassa conducibilità a basse temperature, ma quando riscaldato subisce una transizione di fase in una fase dinamicamente disordinata con elevata conduttività ionica.

"L'articolo in Physical Review Letters descrive come siamo stati in grado per la prima volta di descrivere teoricamente la transizione di fase nell'ossido di bismuto, e calcolare la temperatura alla quale si verifica. Ciò fornisce un'importante base teorica per lo sviluppo di Per esempio, elettroliti nelle celle a combustibile, dove è importante sapere esattamente quando avviene la transizione di fase", dice Johan Klarbring.

"Parto da una fase ordinata, che è ben descritto dai metodi convenzionali. Quindi uso una tecnica nota come "integrazione termodinamica", che ho adattato per affrontare il movimento disordinato. La fase ordinata è accoppiata a quella disordinata, con l'ausilio di una serie di calcoli di meccanica quantistica, effettuato presso il National Supercomputer Center di LiU."

I calcoli teorici sono in pieno accordo con il comportamento del materiale negli esperimenti di laboratorio.

I ricercatori hanno ora in programma di testare il metodo su altri materiali interessanti, come le perovskiti, e su materiali con elevata conducibilità agli ioni di litio. Questi ultimi sono di interesse per lo sviluppo di batterie ad alte prestazioni.

"Una volta che abbiamo una profonda comprensione teorica dei materiali, migliora le possibilità di ottimizzazione per applicazioni specifiche", conclude Johan Klarbring.