Los físicos teóricos de la Universidad de Linköping han desarrollado un método computacional para calcular la transición de una fase a otra en materiales sólidos dinámicamente desordenados. Esta es una clase de materiales que se puede utilizar en muchas aplicaciones ecológicas.

Los materiales sólidos en realidad no son tan sólidos como parecen. Normalmente, cada átomo en realidad vibra alrededor de una determinada posición en el material. La mayoría de los modelos teóricos que apuntan a describir materiales sólidos se basan en el supuesto de que los átomos retienen sus posiciones y no se alejan mucho de ellos.

"Este no es el caso de algunos materiales, tales como materiales con conductividad iónica muy alta y aquellos en los que los componentes básicos no son solo átomos sino también moléculas. Varias de las perovskitas que son materiales prometedores para las células solares son de este tipo ", Johan Klarbring, estudiante de doctorado en física teórica en la Universidad de Linköping, Cuéntanos.

Las perovskitas se definen por sus estructuras cristalinas y se presentan en diferentes formas. Sus constituyentes pueden ser tanto átomos como moléculas. Los átomos de las moléculas vibran, pero la molécula completa también puede rotar, lo que significa que los átomos se mueven significativamente más de lo que a menudo se supone en los cálculos.

Los materiales que muestran este comportamiento atípico se conocen como "materiales sólidos dinámicamente desordenados". Los materiales sólidos dinámicamente desordenados muestran un inmenso potencial en aplicaciones ambientalmente sensibles. Los materiales que son buenos conductores iónicos son, por ejemplo, prometedor en el desarrollo de electrolitos sólidos para baterías y pilas de combustible, y para aplicaciones termoeléctricas.

Sin embargo, Las propiedades de los materiales han sido difíciles de calcular teóricamente y los investigadores a menudo se han visto obligados a utilizar experimentos que consumen mucho tiempo.

Jonas Klarbring ha desarrollado un método computacional que describe con precisión lo que sucede cuando este tipo de material se calienta y se somete a transiciones de fase. Johan Klarbring y su supervisor, Profesor Sergei Simak, han publicado los resultados en la revista científica Cartas de revisión física .

Han estudiado el óxido de bismuto, Bi ₂ O ₃ , un material conocido por ser un muy buen conductor iónico. Este óxido donde la corriente es conducida por iones de óxido, es el mejor conductor de iones de óxido de todos los materiales sólidos conocidos. Los experimentos han demostrado que tiene una conductividad baja a bajas temperaturas, pero cuando se calienta sufre una transición de fase a una fase dinámicamente desordenada con alta conductividad iónica.

"El artículo de Physical Review Letters describe cómo hemos podido, por primera vez, describir teóricamente la transición de fase en el óxido de bismuto, y calcular la temperatura a la que ocurre. Esto proporciona una base teórica importante para el desarrollo de, por ejemplo, electrolitos en pilas de combustible, donde es importante saber exactamente cuándo tiene lugar la transición de fase ", dice Johan Klarbring.

"Empiezo desde una fase ordenada, que está bien descrito por métodos convencionales. Luego utilizo una técnica conocida como 'integración termodinámica', que he adaptado para hacer frente al movimiento desordenado. La fase ordenada se acopla a la desordenada, con la ayuda de una serie de cálculos de mecánica cuántica, realizado en el Centro Nacional de Supercomputación de LiU ".

Los cálculos teóricos están totalmente de acuerdo con el comportamiento del material en los experimentos de laboratorio.

Los investigadores ahora planean probar el método en otros materiales interesantes, como las perovskitas, y en materiales con alta conductividad iónica de litio. Estos últimos son de interés para el desarrollo de baterías de alto rendimiento.

"Una vez que tengamos una comprensión teórica profunda de los materiales, mejora las posibilidades de optimizarlas para aplicaciones específicas ", concluye Johan Klarbring.