Süper iyonik kristal nasıl hem katı hem de sıvı gibi davranabilir?

Malzeme bilimciler, süper iyonik kristal olarak adlandırılan bir malzeme sınıfının, umut vaat eden elektriksel özelliklerinin altında yatan fiziksel olayı ortaya çıkardılar. Bu tür malzemelerin daha iyi anlaşılması ve çözülmesi ile daha güvenli ve daha etkili şarj edilebilir pillerin ortaya çıkmasına sebep olabilir.

Geçtiğimiz 5 yıl içinde oldukça popüler bir çalışma konusu haline gelen süper iyonik kristaller sıvı ve katı arasında bir geçiştir (çaprazlamadır). Süper iyonik kristallerin bazı moleküler bileşenleri, rijit bir kristalin yapıya sahipken, diğerleri belirli bir sıcaklığın üzerinde sıvı benzeri bir hal alırlar ve katı gövde boyunca akabilirler.

Duke Üniversitesi’nden bilim adamları, Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı (ORNL) ve Argonne Ulusal Laboratuvarlarında (ANL) yapılan yeni bir çalışmada, malzemendeki bakır iyonları nasıl sıvı benzeri özellikler oluşturduğunu belirlemek için X-ray ve nötronlar ile bakır, krom ve selenyumdan (CuCrSe2)  yapılmış süper iyonik kristali incelediler.

“CuCrSe2 190°F (87.7°C) ısıtıldığı zaman, bakır iyonları krom ve selenyumun katmanlarının içinde sıvı su molekülleri kadar hızlı hareket ederler” diyor Olivier Delaire ve Duke (kıdemli yazar). “Yine de elinizde tutabileceğiniz bir katı. Biz bu fenomenin arkasındaki moleküler fiziği anlamak istedik” diye ekliyorlar.

Bakır iyonlarının davranışlarını incelemek için Delaire ve meslektaşları iki dünya standartlarına sahip ORNL’ deki Spallation Nötron Kaynağı ve ANL’ deki Gelişmiş Foton Kaynağı tesislerine yöneldiler. Her alet, bulmacanın eşsiz bir parçasını sağladı.

Araştırmacılar, güçlü nötronlar ile ORNL’ de yapılan büyük bir CuCrSe2 toz numunesine ping yaparak malzemenin atomik yapısını ve dinamiklerini geniş bir şekilde incelediler. Bu durum, krom ve selenyum atomlarının sert iskeletinin titreşimlerini ve ayrıca bakır iyonlarının rastgele sıçramalarını ortaya çıkardı.

Titreşim modlarına daha dar ama detaylı bir açıdan bakarsak, araştırmacılar yüksek çözünürlüklü X-ışınları ile CuCrSe2 kristalini bombaladılar. Bu, ışınların atomlarından nasıl dağıldıklarını ve iskelet titreşimlerinin çoğalması için nasıl enine dalgalara izin verdiklerini, katı davranışların ayırt edici özelliklerini incelemelerini sağladı.

Elindeki her iki bilgide, Delaire’nin çalışma grubu, bulguları açıklamak için Ulusal Enerji Araştırmaları Bilimsel Bilgi İşlem Merkezi'nde malzemenin atomik davranışının kuantum simülasyonunu ürettiler. Bu simülasyonlar, 190°F (87.7°C) faz geçiş sıcaklığının altında, bakır atomlarının, malzemenin iskele yapısının boşluklarında tutunan izole edilmiş bölgelerin etrafında titreştiler. Fakat bu sıcaklığın üzerinde, çoklu bölgeler arasında rastgele sekebilir. Bu da bakır iyonlarının katı kristal boyunca akmasına izin verir.

Bakır atomlarının birbirleriyle nasıl etkileştiklerini anlamak için daha fazla çalışmaya ihtiyaç duyulurken, bulgular gelecekte elektronik uygulamalarda benzer malzemelerin nasıl kullanılacağına dair ipuçları sunmaktadır.

Delaire ”Ticari lityum iyon pillerinin çoğu, pillerin artı ve eksi kutupları arasındaki iyonları aktarmak için sıvı elektrolit kullanırlar” dedi ve ekledi “Maalesef pek çok dizüstü bilgisayarı ve akıllı telefon sahipleri için, etkiliyken bu sıvı tehlikeli bir şekilde yanıcı olabilir.”

“CuCrSe2’ deki bakır gibi davranan lityum veya sodyum gibi iyonlar içeren süper iyonik kristallerin başka türleri de mevcuttur. Bu çalışma ve gelecekteki araştırmalar sırasında, süper iyonik kristallerin nasıl çalıştığını anlayabilirsek, şarj edilebilir pillerde iyonların taşınması için daha iyi ve sağlam bir çözüm bulabiliriz.”

Kaynak: https://www.materialstoday.com/crystalline-materials/news/superionic-crystal-solid-and-a-liquid/