Cientistas do Instituto de Tecnologia de Tóquio e colaboradores mostraram a superligação de oxigênios de canal em silicatos de lantânio do tipo apatita ricos em La, em vez da presença dos oxigênios intersticiais, ser responsável pela alta condutividade óxido-íon. Este conceito de "alta condutividade de íons de óxido por sobreposição" abre a porta para projetar melhores condutores de íons, que pode ser útil na conversão de energia e proteção ambiental.

Eletrólitos de óxido sólido têm sido amplamente estudados devido à sua ampla gama de aplicações em células de combustível de óxido sólido (SOFCs), membranas de oxigênio, catalisadores, e sensores de gás. Eletrólitos com alta condutividade óxido-íon em temperaturas abaixo de 600 graus C são necessários para diminuir a temperatura de operação de SOFCs. Professor Susumu Nakayama do Instituto Nacional de Tecnologia, O Niihama College descobriu em 1995 a condutividade óxido-íon extremamente alta na faixa de temperatura intermediária abaixo de 600 ° C, o que tem incentivado muitos pesquisadores a estudar a origem estrutural desse fenômeno.

Acreditava-se que a alta condutividade óxido-íon de materiais do tipo apatita é devido aos oxigênios intersticiais. Contudo, neste novo estudo, Professor Masatomo Yashima, Dr. Kotaro Fujii do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech), e seus colegas mostraram que os materiais do tipo apatita contêm vacâncias de Si, mas não intersticiais de oxigênio. As vagas de Si nos materiais foram originalmente propostas pelo Professor Koichiro Fukuda do Instituto de Tecnologia de Nagoya.

Por meio de estudos de difração de nêutrons de cristal único usando o difratômetro SENJU instalado no MLF, Instalação J-PARC (Figura 1), eles foram capazes de determinar com precisão as estruturas cristalinas dos materiais de apatita La _9,333 Si ₆ O ₂₆ e La-rich La _9.565 (Si _{5,826 □ 0,174} ) O ₂₆ (□ denota a vacância de Si), incluindo fatores de ocupação, parâmetros de deslocamento atômico, e distribuições espaciais de átomos de oxigênio. Eles também mediram a densidade e a condutividade óxido-íon dos dois materiais. Nesse trabalho, La _9.565 (Si _{5,826 □ 0,174} ) O ₂₆ foi selecionado devido à sua alta condutividade óxido-íon.

Por análises de estrutura usando os dados de difração, os pesquisadores encontraram vagas de Si, sem oxigênios intersticiais, e maior desordem posicional do íon óxido no O ₄ local no canal da apatita em comparação com o material básico La _9,333 Si ₆ O ₂₆ (Figura 2). A menor energia de ativação para a condução óxido-íon ao longo do eixo c foi encontrada para ser a principal razão para a maior condutividade óxido-íon de La. _9.565 (Si _{5,826 □ 0,174} ) O26 em comparação com La _9,333 Si ₆ O ₂₆ . O excesso de La rendeu a superligação do O ₄ íon óxido em La _9.565 (Si _{5,826 □ 0,174} ) O ₂₆ em comparação com La _9,333 Si ₆ O ₂₆ , o que levou a uma maior mobilidade óxido-íon e condutividade de La _9.565 (Si _{5,826 □ 0,174} ) O ₂₆ com vacâncias de Si (Figura 2). Medidas de densidade pelo método de Arquimedes suportaram a presença de vacâncias de Si em La. _9.565 (Si _{5,826 □ 0,174} ) O ₂₆ .

Assim, os pesquisadores propuseram que o excesso de La cátions são responsáveis ​​por oxigênios de canais superligados ao longo do eixo c, o que leva a um deslocamento atômico altamente anisotrópico e alta mobilidade de oxigênio. Portanto, este novo conceito de "alta condutividade de íons de óxido por superligação" pode ser útil para projetar melhores condutores de íons.