Os físicos teóricos da Linköping University desenvolveram um método computacional para calcular a transição de uma fase para outra em materiais sólidos desordenados dinamicamente. Esta é uma classe de materiais que pode ser usada em muitas aplicações ecológicas.

Os materiais sólidos, na realidade, não são tão sólidos quanto parecem. Normalmente, cada átomo realmente vibra em torno de uma certa posição no material. A maioria dos modelos teóricos que visam descrever materiais sólidos são baseados na suposição de que os átomos mantêm suas posições e não se movem muito longe delas.

“Este não é o caso de alguns materiais, como materiais com condutividade iônica muito alta e aqueles em que os blocos de construção não são apenas átomos, mas também moléculas. Várias das perovskitas que são materiais promissores para células solares são desse tipo ", Johan Klarbring, estudante de doutorado em física teórica na Linköping University, diga-nos.

As perovskitas são definidas por suas estruturas cristalinas e apresentam-se em diferentes formas. Seus constituintes podem ser átomos e moléculas. Os átomos nas moléculas vibram, mas a molécula completa também pode girar, o que significa que os átomos se movem significativamente mais do que geralmente é assumido nos cálculos.

Os materiais que apresentam esse comportamento atípico são conhecidos como "materiais sólidos dinamicamente desordenados". Materiais sólidos dinamicamente desordenados mostram um imenso potencial em aplicações ambientalmente sensíveis. Os materiais que são bons condutores iônicos são, por exemplo, promissor no desenvolvimento de eletrólitos sólidos para baterias e células a combustível, e para aplicações termelétricas.

Contudo, as propriedades dos materiais têm sido difíceis de calcular teoricamente e os pesquisadores muitas vezes são forçados a usar experimentos demorados.

Jonas Klarbring desenvolveu um método computacional que descreve com precisão o que acontece quando esses tipos de material são aquecidos e passam por transições de fase. Johan Klarbring e seu supervisor, Professor Sergei Simak, publicaram os resultados na revista científica Cartas de revisão física .

Eles estudaram o óxido de bismuto, Bi ₂ O ₃ , um material conhecido por ser um condutor iônico muito bom. Este óxido, onde a corrente é conduzida por íons de óxido, é o melhor condutor de íon óxido de todos os materiais sólidos conhecidos. Experimentos mostraram que ele tem uma baixa condutividade em baixas temperaturas, mas, quando aquecido, ele sofre uma transição de fase para uma fase dinamicamente desordenada com alta condutividade iônica.

"O artigo da Physical Review Letters descreve como fomos capazes, pela primeira vez, de descrever teoricamente a transição de fase no óxido de bismuto, e calcular a temperatura em que ocorre. Isso fornece uma base teórica importante para o desenvolvimento de, por exemplo, eletrólitos em células de combustível, onde é importante saber exatamente quando ocorre a transição de fase ", disse Johan Klarbring.

"Eu começo de uma fase ordenada, que é bem descrito por métodos convencionais. Em seguida, uso uma técnica conhecida como 'integração termodinâmica', que adaptei para lidar com o movimento desordenado. A fase ordenada é acoplada à desordenada, com a ajuda de uma série de cálculos de mecânica quântica, realizado no Centro Nacional de Supercomputador em LiU. "

Os cálculos teóricos estão totalmente de acordo com o comportamento do material em experimentos de laboratório.

Os pesquisadores agora planejam testar o método em outros materiais interessantes, como perovskitas, e em materiais com alta condutividade iônica de lítio. Estes últimos são de interesse para o desenvolvimento de baterias de alto desempenho.

"Assim que tivermos uma compreensão teórica profunda dos materiais, melhora as possibilidades de otimizá-los para aplicações específicas ", conclui Johan Klarbring.