El movimiento atómico en un óxido cristalino que se utilizó como cátodo en baterías de iones de litio se demostró directamente mediante microscopía electrónica de transmisión de última generación. revelando la vía transitoria de una reacción de ordenamiento químico.

Incluso si dos sistemas cristalinos tienen una estructura cristalina idéntica con la misma composición general, sus propiedades físicas pueden variar notablemente entre sí, dependiendo en gran medida de si los átomos compuestos están dispuestos de manera ordenada o no. La identificación y posterior control del ordenamiento químico en sistemas cristalinos multicomponente tienen, por lo tanto, ha sido uno de los temas centrales de la química estructural durante las últimas décadas. Varias aleaciones metálicas binarias sirven como ejemplos prototípicos que demuestran claramente cómo el grado de orden químico afecta las propiedades físicas resultantes. como la resistividad eléctrica, Susceptibilidad magnética, y comportamiento de deformación plástica de los cristales. Además, muchos estudios notables se han extendido incluso a la elucidación del ordenamiento químico local y la visualización del desorden de intercambio antisitio a escala atómica para un mejor rendimiento catalítico y eficiencia de conversión / almacenamiento de energía.

El grupo del profesor Sung-Yoon Chung en la Escuela de Graduados de EEWS (Energía, Medio ambiente, Agua, y Sostenibilidad) en el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST) ha demostrado con éxito cómo se produce el ordenamiento de los cationes en la espinela Li (Mn1.5Ni0.5) O4, que es un material de cátodo prometedor para baterías de iones de litio de alto voltaje. Para proporcionar de manera consistente un cuerpo integrado de evidencia experimental y teórica, se utilizaron técnicas combinadas, incluyendo microscopía electrónica de alta resolución (HREM) y microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) para observaciones directas a escala atómica, captura de imágenes in situ en STEM y difracción de rayos X de polvo de alta temperatura para investigaciones en tiempo real, y cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) para la estimación cuantitativa de la barrera de energía durante el pedido. En particular, Los movimientos atómicos durante la transición de pedidos se capturaron claramente en tiempo real en STEM.

Un haz de electrones acelerado con alto voltaje en TEM puede transferir suficiente energía a una muestra, y sobre esta base, este enfoque se ha utilizado correctamente en estudios in situ recientes para observaciones en tiempo real sobre la transformación de fase, engrosamiento del cristal, y difusión de átomos. En el presente estudio, inducir el proceso de desplazamiento atómico y posteriormente examinar la formación de defectos puntuales en Li (Mn1.5Ni0.5) O4, Se aplicó un haz de electrones convergente intensificado en regiones estrechas en un cristal desordenado en STEM. Si bien no se observó variación de estructura durante el escaneo con electrones en el modo de imagen normal, La fluctuación dinámica en la intensidad de la columna entre los sitios octaédricos podría identificarse cuando un haz de electrones con una corriente más alta (> 50 pA) escaneó una región confinada de 3 × 3 nm2.

Los hallazgos de este estudio ilustran que la velocidad a la que tiene lugar la transición de ordenamiento depende en gran medida de la facilidad con la que se pueden inducir los defectos puntuales en la red. Además de dilucidar la vía cinética para ordenar la transformación, El presente estudio enfatiza que el papel de los defectos puntuales en los cristales no se limita meramente al transporte de masa y carga en general, sino que se extiende incluso a las transiciones de fase. donde estos defectos actúan como un mediador crítico entre dos fases.

Este trabajo fue publicado en Edición internacional Angewandte Chemie (2015, 54, 7963-7967) y fue seleccionada como la contraportada interior del número debido a la importancia de la observación directa en este campo de gran interés en rápida evolución.