Ионы - это заряженные атомы или молекулы. То, насколько легко они передвигаются внутри твёрдого материала, определяет работу аккумуляторов, топливных элементов и датчиков. Особенно интересны твёрдые электролиты: они могли бы сделать батареи более ёмкими и безопасными по сравнению с обычными, где ионы переносит жидкость.

Группа учёных под руководством Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) испытала новый метод наблюдения за ионами. Его назвали 4D-QENS - четырёхмерное квазиупругое рассеяние нейтронов. По сути, это усовершенствованный способ просветить образец нейтронами и по тому, как они отклоняются и меняют энергию, понять, как движутся атомы внутри. Результаты опубликованы в журнале PRX Energy.

Опыты провели на источнике нейтронов Spallation Neutron Source - установке Министерства энергетики в Окриджской национальной лаборатории (ORNL). Особенность метода в том, что монокристалл во время облучения вращают. Это позволяет собрать объёмные данные и увидеть не только отдельные перескоки ионов, но и их согласованные перемещения.

Идея вращать образец на импульсных нейтронных источниках существует около 15 лет, но к квазиупругому рассеянию её раньше не применяли, пояснил старший физик Аргоннской лаборатории Рэймонд Осборн, ведущий автор работы.

Чтобы проверить метод, исследователи взяли монокристаллы хлорида стронция. Это соль, которая при температуре выше 1200 градусов по Фаренгейту становится быстрым проводником ионов. Для будущих технологий она не подходит, но её свойства хорошо изучены, поэтому она удобна как модель.

Метод подтвердил известную картину: ионы перескакивают с одного места в кристаллической решётке на другое. Но кроме того, удалось напрямую увидеть коррелированное движение - когда ионы влияют друг на друга. Такие взаимодействия могут как помогать движению, так и создавать пробки, вредные для батареи. Важно понимать: корреляция здесь - это статистическая связь в данных, а не доказательство того, что одно явление вызывает другое.

Нейтроны для таких экспериментов удобны тем, что у них нет электрического заряда, а масса близка к массе атомов. Даже небольшое изменение скорости нейтрона после столкновения с образцом помогает восстановить картину перемещений. Именно поэтому опыты шли на самом мощном импульсном нейтронном источнике в мире.

Чем больше данных, тем выше требования к вычислениям. После недавнего усиления источника в ORNL объём измерений вырос, и обрабатывать их помогают суперкомпьютеры, например вычислительный центр Argonne Leadership Computing Facility (ALCF).

Ещё несколько лет назад вопросы о проводимости ионов были гораздо уже, отметил Стефан Розенкранц, руководитель группы в отделе материаловедения Аргоннской лаборатории. Теперь учёные измеряют трёхмерные объёмы плюс передачу энергии - получается четыре измерения.

Авторы подчёркивают: это пока лабораторный метод, а не готовый прибор для производства. Но в будущем его можно применять к более сложным материалам, которые напрямую подходят для твёрдых электролитов и других энергетических технологий.

Источник: Tech Xplore