Ученые разобрались в механизме, который отвечает за необычное поведение суперионных кристаллов. Эти вещества проявляют свойства жидкости и твердого тела одновременно. На основе суперионных кристаллов можно сделать эффективные батареи, которые не будут воспламеняться при повреждении. Работа опубликованы в журнале Nature Physics.

Суперионные кристаллы начали активно изучать только в последние пять лет. Часть атомов в них образует жесткую кристаллическую решетку, а другая может активно перемещаться внутри нее, подобно потоку жидкости.

В новой работе американские физики детально изучили конкретный суперионный кристалл CuCrSe₂.

«Когда CuCrSe₂ нагревают выше 90 °C, ионы меди начинают летать между слоями хрома и селена примерно со скоростью движения молекул воды, — поясняет Оливер Делер из Университета Дьюка (США). — Тем не менее это вещество твердое, его можно держать в руках. Мы хотели понять природу этого феномена на уровне молекулярной физики».

Чтобы выяснить структуру атомов и то, как они колеблются внутри вещества, ученые применили методы нейтронного рассеяния и рентгеноструктурного анализа. Конкретно физиков интересовала динамика фононов — квазичастиц, соответствующих колебаниями кристаллической решетки. В обычных твердых телах фононы отвечают за перенос тепла, но что происходит с ними в суперионном состоянии, физики не знали. Они выяснили, что фононы с большой длиной волны сохраняются. Учитывая характерную для меди хаотическую динамику, это необычно. В то же время фононы специфических длин волн оказались подавлены. Более того, многие особые свойства совокупности ионов меди при переходе в суперионное состояние оказались неизменны, что говорит о том, что именно особенность динамики фононов отвечает как за низкую теплопроводность суперионных кристаллов, так и за переход в необычное состояние.

«Большинство распространенных литий-ионных батарей используют для переноса ионов между положительным и отрицательным электродами жидкий электролит. Несмотря на свою эффективность, он опасен и легко загорается, о чем, к сожалению, непосредственно узнали многие обладатели ноутбуков и смартфонов, — говорит Делер. — Есть варианты суперионных кристаллов, которые содержать ионы лития или натрия, которые ведут себя подобно меди в CuCrSe₂. Если мы сможем полностью понять их физику, то, возможно, найдем более удачный способ создания сред для переноса ионов в аккумуляторных батареях на основе физики твердого тела».