Argonne показала 4D-рассеяние нейтронов для отслеживания коррелированного движения ионов в кристалле хлорида стронция

Группа под руководством Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США продемонстрировала метод измерения активности ионов в твёрдых телах — 4D квазиупругое рассеяние нейтронов (4D-QENS), сообщает azom.com. Технику испытали на источнике нейтронов Spallation Neutron Source — установке для пользователей Управления науки DOE в Окриджской национальной лаборатории (ORNL). По сообщению авторов, метод даёт больше деталей о том, как ионы движутся и взаимодействуют, что может улучшить теоретические модели для проектирования твердотельных батарей и смежных технологий. azom.comazom.comazom.comОткрыть источник ↗

Почему важно движение ионов

Некоторые материалы позволяют ионам, то есть заряженным атомам или молекулам, быстро перемещаться. Поэтому их применяют как электролиты в твердотельных батареях, которые могут запасать больше энергии и быть безопаснее обычных батарей с жидкими электролитами. azom.comazom.comazom.comОткрыть источник ↗

Исследователи обычно считали, что движение ионов в твёрдых телах — независимый диффузионный процесс. Сейчас изучается идея, что ключ к сверхбыстрой проводимости — коррелированное движение, обусловленное взаимодействием ионов. Прямо наблюдать его экспериментально до сих пор не удавалось. azom.comazom.comazom.comОткрыть источник ↗

Как работает 4D-QENS

При квазиупругом рассеянии нейтронов пучок направляют на образец и измеряют изменения направления и энергии нейтронов при рассеянии. Эти изменения показывают перемещения атомов или молекул в материале. В 4D-QENS монокристаллический образец вращают под пучком нейтронов. Данные охватывают три пространственных измерения и передачу энергии, которая даёт четвёртое. azom.comazom.comazom.comОткрыть источник ↗

«Идея таких вращений образца существует на импульсных источниках нейтронов около 15 лет, но к QENS её раньше не применяли», — сказал Реймонд Осборн, старший физик Аргонна и ведущий автор работы. azom.comazom.comazom.comОткрыть источник ↗

Измерения провели на монокристаллах хлорида стронция — соли, которая становится быстрым ионным проводником выше 1200 градусов по Фаренгейту. Она не рассматривается для будущих применений, но хорошо изученные свойства сделали её подходящим модельным кристаллом. azom.comazom.comazom.comОткрыть источник ↗

Результаты по перескокам ионов между позициями в кристаллической решётке согласовались с прежними исследованиями. Кроме того, измерения дали прямое свидетельство коррелированного движения ионов. Такое движение может как облегчать перемещение в материале, так и создавать «пробки», вредные для батареи. azom.comazom.comazom.comОткрыть источник ↗

Объём данных вырос благодаря недавнему повышению мощности Spallation Neutron Source, самого мощного в мире импульсного источника нейтронов, и вычислительным ресурсам DOE, в том числе Argonne Leadership Computing Facility. Исследователи отметили, что такой анализ подойдёт для будущих работ с 4D-QENS на более сложных материалах, связанных с твердотельными электролитами. Работа описана в журнале PRX Energy. azom.comazom.comazom.comОткрыть источник ↗