Le linee blu nella Figura (b) descrivono la corretta funzione della struttura radiale, N(R), come determinato dalla struttura del materiale. L'N(R) ha componenti radiali (il numero di atomi coordinanti) a distanza interatomica sparsa R. All'aumentare della distanza, l'N(R) aumenta il numero di atomi (intensità di N(R)) coordinandosi alla stessa distanza a causa della simmetria strutturale delle sostanze. Al contrario di tale discreto N(R), abbiamo ottenuto informazioni sulla microstruttura da uno spettro verde in Figura (a), che è calcolato dalla trasformazione di Fourier dello spettro di oscillazione EXAFS (lato destro della figura). Questo spettro è una funzione continua della distanza interatomica R, e mostra l'intensità decrescente all'aumentare di R. Ciò significa che all'aumentare della distanza atomica, questo metodo non può stimare correttamente la funzione della struttura radiale degli atomi coordinanti. Credito:Dr. Ichiro Akai
L'analisi della microstruttura dei materiali è una tecnologia chiave per la ricerca di nuovi materiali. Utilizzando una tecnica di estrazione delle informazioni chiamata modellazione sparsa, una collaborazione di ricercatori guidati dal professor Ichiro Akai della Kumamoto University, Giappone, ha sviluppato il primo metodo al mondo per analizzare la struttura atomica e la fluttuazione strutturale dei materiali utilizzando solo dati misurati. Questo metodo non necessita di premesse sulla struttura su scala atomica, che sono richiesti nei metodi convenzionali di analisi della microstruttura. Tra le altre applicazioni, questo nuovo approccio dovrebbe migliorare la funzionalità delle batterie e garantire una maggiore durata.
Per realizzare nuove funzioni e miglioramenti delle prestazioni di sostanze funzionali come quelle che si trovano nelle batterie e nei dispositivi elettronici, la loro struttura ei cambiamenti strutturali devono essere valutati su scala atomica. Questo perché la struttura degli atomi su scala nanometrica domina le loro proprietà. Le misurazioni della struttura fine di assorbimento dei raggi X estesi (EXAFS) sono ampiamente utilizzate per analizzare microstrutture come queste su scala atomica.
Eseguendo una trasformazione di Fourier sullo spettro misurato di un'oscillazione EXAFS, informazioni sulla microstruttura possono essere ottenute per determinare come gli atomi adiacenti sono distribuiti radialmente. Però, la distribuzione radiale ottenuta con questo metodo convenzionale è molto diversa dall'effettiva struttura radiale. Questa discrepanza è dovuta all'espansione impropria con funzioni di base di onde vibranti di ampiezza costante per trasformazione di Fourier, nonostante il fatto che l'ampiezza dell'oscillazione EXAFS cambi notevolmente all'interno dell'intervallo osservato.
Le variazioni di ampiezza rappresentano fluttuazioni strutturali, che sono variazioni nelle distanze atomiche e nella mobilità degli atomi vicini. Queste proprietà fisiche sono indicate da una grandezza fisica chiamata fattore di Debye-Waller. Questo fattore non può essere ottenuto dalla trasformazione di Fourier dell'oscillazione EXAFS perché la stima del fattore di Debye-Waller richiede l'assunzione di ipotesi sulla microstruttura di un materiale. In altre parole, poiché un'analisi dello spettro di oscillazione EXAFS convenzionale si basa su una struttura ipotetica, è difficile stimare il fattore di Debye-Waller a meno che la microstruttura del materiale non sia nota in precedenza.
(a) Dati misurati, (b) Risultato dopo la modellazione sparsa, (c) Residuo del risultato mediante modellazione sparsa dei dati misurati. Credito:Dr. Ichiro Akai
Risolvere questo problema, i ricercatori si sono concentrati sul fatto che gli atomi sono, generalmente, regolarmente distribuito, che riflette la loro struttura chimica e gli stati di legame. Per di più, le distanze tra gli atomi (coordinate atomiche) sono distinte, e può essere considerato "scarso". I ricercatori hanno quindi sviluppato un nuovo metodo analitico utilizzando un tipo di tecnologia di estrazione delle informazioni chiamata modellazione sparsa per analizzare i dati EXAFS. La modellistica sparsa è stata sviluppata nel campo della scienza dell'informazione, e viene utilizzato per scoprire le proprietà dominanti nei dati misurati. Negli ultimi anni, è stato utilizzato in una vasta gamma di campi di ricerca, come l'astronomia, scienza medica e ingegneria.
Utilizzando solo dati misurati, senza alcuna conoscenza preliminare di un materiale, il nuovo metodo può
"Poiché possiamo stimare il fattore Debye-Waller senza alcuna informazione preliminare su un materiale, ci aspettiamo che questo metodo produca risultati importanti in diverse aree della ricerca sui materiali, in particolare per nuove sostanze, come i materiali termoelettrici in cui è importante la fluttuazione termica degli atomi adiacenti, e materiali conduttori superionici che richiedono mobilità tra atomi adiacenti. Entrambi stanno attualmente attirando l'attenzione come materiali elettrolitici solidi per batterie secondarie, " ha detto il ricercatore capo, Professor Ichiro Akai dell'Università di Kumamoto.
(a) Verde:spettro di trasformazione di Fourier convenzionale. Rosso:funzione di struttura quasi radiale estratta mediante modellazione sparsa. (b) Corretta funzione della struttura radiale del rame. Credito:Dr. Ichiro Akai
In questo studio, i ricercatori hanno applicato il loro nuovo metodo ai dati EXAFS di un campione standard di rame e hanno dimostrato che la tecnica di modellazione sparsa ha funzionato correttamente ed efficacemente per analizzare lo spettro di oscillazione EXAFS. Si prevede che l'applicazione di questo metodo a vari materiali difficili da analizzare in dettaglio con metodi convenzionali produrrà sviluppi futuri.
Questo lavoro è stato pubblicato su Giornale della Società Fisica del Giappone il 22 giugno 2018.
