Metais elementares geralmente se formam simples, estruturas cristalinas compactadas. Embora o lítio (Li) seja considerado um metal simples típico, sua estrutura cristalina à pressão ambiente e baixa temperatura permanece desconhecida.

Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) recentemente desenvolveram uma técnica para obter informações estruturais para Li em condições onde os métodos cristalográficos tradicionais são insuficientes. Usando esta metodologia, um quebra-cabeça de décadas finalmente pode ser resolvido.

Li é o metal mais leve e o elemento sólido menos denso nas condições ambientais. Li e seus compostos têm diversas aplicações industriais, incluindo vidro e cerâmica resistentes ao calor, lubrificantes de graxa de lítio, aditivos de fluxo para ferro, produção de aço e alumínio, baterias de lítio e baterias de íon de lítio. Esses usos consomem mais de três quartos da produção de lítio.

"A supercondutividade dos metais alcalinos, e Li, é um assunto que vem sendo debatido há muitos anos, "disse Stanimir Bonev, LLNL principal autor de um artigo publicado em uma edição recente da Proceedings of the National Academy of Sciences . "Apenas recentemente foi observada supercondutividade em Li à pressão ambiente. Mas para entender as propriedades supercondutoras, é essencial conhecer a estrutura cristalina. "

Como complemento aos métodos cristalográficos, a equipe do LLNL propôs medições das oscilações do momento magnético do cristal em um campo magnético externo. A equipe realizou uma análise teórica mostrando que o espectro de ressonâncias de oscilação é bastante distinto para diferentes estruturas de Li. Uma comparação com dados experimentais existentes indica que a fase de baixa temperatura de Li é incompatível com a estrutura 9R (nove camadas de empilhamento hexagonal) previamente atribuída.

Li tem propriedades muito interessantes em alta pressão. Quando é comprimido a baixa temperatura, sua temperatura crítica supercondutora aumenta - de 0,4 milikelvin à pressão ambiente para 20 kelvins em cerca de 500, 000 atmosferas de pressão. Em seguida, ele se transforma em um semicondutor, em seguida, novamente para um metal em alta pressão, mas com uma estrutura muito complexa.

Por anos, cientistas tentaram entender o estranho comportamento do lítio. Teoricamente, existem várias estruturas que estão muito próximas em energia. Para determinar conclusivamente qual deles tem a energia mais baixa absoluta, e é, portanto, a estrutura de equilíbrio, requer enorme precisão nos cálculos. Ao mesmo tempo, por causa de sua massa atômica leve, a dinâmica dos átomos de Li é significativa mesmo em baixa temperatura e isso torna ainda mais difícil alcançar tal precisão.

Do lado experimental, porque Li é um elemento de baixo Z, ele tem uma resposta relativamente fraca aos raios X e nêutrons, quais são os métodos tradicionais para determinar a estrutura cristalina. A transição para a fase de baixa temperatura é gradual e também quebra a amostra de cristal único.

Em uma amostra policristalina, é possível haver uma mistura de várias fases. Como resultado, medições de espalhamento (raios-X e nêutrons) podem e foram interpretadas de maneiras diferentes.

"É difícil identificar de forma conclusiva qual é a estrutura com esses outros métodos sozinhos, "Bonev disse." Existem apenas alguns picos de difração bem pronunciados e eles combinam com várias estruturas diferentes. As medições, é claro, tornam-se mais difíceis em alta pressão. Com o método que propomos, essas dificuldades são contornadas. "

A pesquisa aparece na edição de 23 de maio da PNAS .