Las líneas azules en la Figura (b) describen la función correcta de la estructura radial, N (R), según lo determine la estructura del material. El N (R) tiene componentes radiales (el número de átomos coordinados) a una distancia interatómica escasa R. A medida que aumenta la distancia, el N (R) aumenta el número de átomos (intensidad de N (R)) coordinando a la misma distancia debido a la simetría estructural de las sustancias. Al contrario de tal discreto N (R), hemos obtenido información sobre la microestructura de un espectro verde en la Figura (a), que se calcula mediante la transformación de Fourier del espectro de oscilación EXAFS (lado derecho de la figura). Este espectro es una función continua de la distancia interatómica R, y muestra que la intensidad disminuye a medida que aumenta R. Esto significa que a medida que aumenta la distancia atómica, este método no puede estimar correctamente la función de la estructura radial de los átomos coordinadores. Crédito:Dr. Ichiro Akai
El análisis de microestructura de materiales es una tecnología clave para la investigación de nuevos materiales. Usando una técnica de extracción de información llamada modelado disperso, una colaboración de investigadores dirigida por el profesor Ichiro Akai de la Universidad de Kumamoto, Japón, ha desarrollado el primer método del mundo para analizar la estructura atómica y la fluctuación estructural de los materiales utilizando únicamente datos medidos. Este método no necesita suposiciones previas sobre la estructura a escala atómica, que se requieren en los métodos de análisis de microestructura convencionales. Entre otras aplicaciones, Se espera que este nuevo enfoque mejore la funcionalidad de las baterías y proporcione una vida útil más prolongada.
Para realizar nuevas funciones y mejoras de rendimiento de sustancias funcionales como las que se encuentran en baterías y dispositivos electrónicos, su estructura y cambios estructurales deben evaluarse a escala atómica. Esto se debe a que la estructura de los átomos a escala nanométrica domina sus propiedades. Las mediciones de estructura fina de absorción de rayos X extendida (EXAFS) se utilizan ampliamente para analizar microestructuras como estas a escala atómica.
Al realizar una transformación de Fourier en el espectro medido de una oscilación EXAFS, Se puede obtener información de microestructura para determinar cómo se distribuyen radialmente los átomos adyacentes. Sin embargo, la distribución radial obtenida por este método convencional es bastante diferente de la estructura radial real. Esta discrepancia se debe a una expansión inadecuada con funciones básicas de ondas vibratorias que tienen amplitud constante por transformación de Fourier, a pesar de que la amplitud de la oscilación EXAFS cambia notablemente dentro del rango observado.
Los cambios de amplitud representan fluctuaciones estructurales, que son variaciones en las distancias atómicas y la movilidad de los átomos vecinos. Estas propiedades físicas están indicadas por una cantidad física llamada factor de Debye-Waller. Este factor no puede obtenerse mediante la transformación de Fourier de la oscilación EXAFS porque la estimación del factor Debye-Waller requiere que se hagan suposiciones sobre la microestructura de un material. En otras palabras, Dado que un análisis del espectro de oscilación EXAFS convencional se basa en una estructura hipotética, Es difícil estimar el factor Debye-Waller a menos que se conozca previamente la microestructura del material.
(a) Datos medidos, (b) Resultado después de modelado escaso, (c) Residuo del resultado por modelado escaso de los datos medidos. Crédito:Dr. Ichiro Akai
Para resolver este problema, los investigadores se centraron en el hecho de que los átomos son, en general, distribuido regularmente, que refleja su estructura química y estados de unión. Es más, las distancias entre los átomos (coordenadas atómicas) son distintas, y puede considerarse "escasa". Luego, los investigadores desarrollaron un nuevo método analítico utilizando un tipo de tecnología de extracción de información llamada modelado disperso para analizar los datos EXAFS. El modelado disperso se desarrolló en el campo de la ciencia de la información, y se utiliza para descubrir propiedades dominantes en datos medidos. En años recientes, se ha utilizado en una amplia gama de campos de investigación, como la astronomía, ciencia e ingeniería médica.
Usando solo datos medidos, sin ningún conocimiento previo sobre un material, el nuevo método puede
"Dado que podemos estimar el factor Debye-Waller sin ninguna información previa sobre un material, Esperamos que este método produzca resultados importantes en varias áreas de la investigación de materiales, en particular para sustancias nuevas, como los materiales termoeléctricos donde la fluctuación térmica de los átomos adyacentes es importante, y materiales conductores superiónicos que requieren movilidad entre átomos adyacentes. Ambos están atrayendo actualmente la atención como materiales de electrolitos sólidos para baterías secundarias, "dijo el investigador principal, Profesor Ichiro Akai de la Universidad de Kumamoto.
(a) Verde:espectro de transformación de Fourier convencional. Rojo:función de estructura cuasi-radial extraída mediante modelado disperso. (b) Función correcta de la estructura radial del cobre. Crédito:Dr. Ichiro Akai
En este estudio, los investigadores aplicaron su nuevo método a los datos EXAFS de una muestra estándar de cobre y demostraron que la técnica de modelado disperso funcionaba de manera adecuada y eficaz para analizar el espectro de oscilación EXAFS. Se espera que la aplicación de este método a varios materiales que son difíciles de analizar en detalle mediante métodos convencionales produzca desarrollos futuros.
Este trabajo fue publicado en el Revista de la Sociedad de Física de Japón el 22 de junio de 2018.
