Кристалл с ионной проводимостью?
 Структура Li4C60. Черным изображены отрицательные ионы C60; синим - свободные ионы лития. Розовым выделено свободное пространство внутри кристаллической решетки, в котором могут перемещаться ионы лития. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Электрический ток – это не что иное, как поток заряженных частиц. Заряд может переноситься как отрицательными, так и положительными частицами (электронами, ионами), в вакууме или в веществе. Если речь идет именно о веществе, то главное условие высокой проводимости – свободный транспорт заряженных частиц, особенно затрудненный, если вещество находится в кристаллической фазе.
Наиболее типичный пример свободной миграции частиц - электроны в кристаллической решетке металла. Электроны ничтожно малы по сравнению с атомами, расположенными в узлах такой кристаллической решетки и, что самое главное, с расстояниями между узлами; благодаря этому они могут «организовано» перемещаться по кристаллу при наличии электрического внешнего поля.
Размер иона зачастую сравним с расстояниями между узлами кристаллической решетки, поэтому транспорт заряженных ионов, аналогичный механизму электронной проводимости металлов, в кристаллических структурах практически не встречается.
Но там где не получается приспособить творения природы, человек создает собственные «чудеса», и работа группы ученых из Италии, Венгрии и Великобритании, опубликованная в журнале Phys. Rev. Lett. 102, - яркое тому подтверждение.
Для того чтобы был возможен перенос заряда посредством ионов, необходимо было придумать кристаллическую решетку, где ионы будут находиться в «свободном» состоянии, т.е. расстояния между узлами этой решетки будет достаточно большим для свободного «путешествия» ионов по кристаллу. В своей работе, европейские ученые предложили подход, при помощи которого может быть создан подобный материал.
Как сказал один из членов команды: «Чтобы строить большой кристалл, нужны большие строительные блоки», поэтому за основу был взят C60, имеющий сложную кристаллическую структуру, по форме напоминающую мяч для гольфа (молекулы C60 так же известны под названием фуллерен-60; они были открыты в 1985 году, за что в 1996 году была вручена Нобелевская премия). Отрицательно заряженные молекулы C60 должны были стать основой будущей кристаллической решетки на подобии отрицательных ионов металлов в описанном выше примере электронной проводимости. Выбор второго компонента для «строительства» решетки основывался на экспериментальных данных; исследования показали, что ионы натрия не могут свободно двигаться внутри полученной кристаллической структуры из-за слишком больших молекулярных связей. Меньший по размеру ион лития оказался идеальным для выполнения этой задачи. Измерения показали, что ионная проводимость нового кристаллического вещества в 5 раз превышает проводимость «типичного» не кристаллического ионного проводника. При этом ионы лития в рамках полученной кристаллической решетки можно считать «свободными», т.к. энергия, необходимая для того, чтобы «сдвинуть» их с места не превышает энергию обычного теплового движения.
Вероятно, данная работа запустит целую цепочку исследований различных кристаллических структур на основе C60. Полученный результат открывает новый тип кристаллических материалов, которые еще предстоит детально изучать. Традиционно материалы с ионной проводимостью используются в производстве аккумуляторных батарей, создании топливных ячеек и для создания других более экзотичных технологий. Развитие этой идеи, возможно, приведет к созданию новых типов элементов питания с меньшим временем зарядки.
Также по теме:
Источники:
- M. Riccò, M. Belli, M. Mazzani, D. Pontiroli, D. Quintavalle, A. Jánossy, and G. Csányi. Superionic Conductivity in the Li4C60 Fulleride Polymer. Phys. Rev. Lett. 102(14), 145901