Wissenschaftler erhalten neue Einblicke in die atomare Unordnung komplexer Metalloxide

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Anonim

Eine Studie, die von der University of Tennessee und dem Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums geleitet wird, könnte sich bald bei der Entwicklung von Materialien mit energietechnischen Anwendungen auszahlen.

Drei UT-Forscher - Maik Lang, Dozent für Kerntechnik; Haidong Zhou, Assistenzprofessor für Physik; und Jacob Shamblin, ein Diplom-Forschungsassistent für Kerntechnik und Physik, untersuchte eine wichtige Klasse komplexer Metalloxide.

Die Materialien, die jeweils aus zwei oder mehr positiv geladenen Metallionen und Sauerstoff bestehen, werden in einem weiten Bereich von Anwendungen einschließlich schnellen Ionenleitern in Festoxidbrennstoffzellen, Wirtsmaterialien für die Atommüllenthaltung und Wärmebarrierenbeschichtungen für Gasturbinenstrahltriebwerke verwendet.

Für ihre Studie nutzte das Team modernste Techniken zur Charakterisierung von Neutronen, um ein detailliertes Verständnis und neue Einblicke in die Natur der atomaren Motive in diesen Materialien zu erhalten. Die Arbeit wurde am 29. Februar in der Zeitschrift Nature Materials veröffentlicht.

"Die komplexen Oxide, die wir in dieser Studie analysiert haben - Pyrochlor und Spinell -, wurden seit Jahrzehnten von verschiedenen Forschern untersucht", sagte Lang. "Viele dieser Verbindungen verlieren, wenn sie extremen Umgebungen, wie hohen Temperaturen oder energiereicher Strahlung, ausgesetzt werden, teilweise ihre Kristallstruktur im Fernbereich, und es wurde angenommen, dass die Mehrfachkationen zufällig Kristallstellen austauschen."

Lang sagte, dass das multidisziplinäre Forscherteam und die einzigartigen Fähigkeiten der Spallationsneutronenquelle von ORNL, einer DOE-Nutzerfakultät des Office of Science, dem Team dabei halfen, einen neuen atomaren Fehlordnungsmechanismus in diesen Materialien zu entdecken.

Mit Hilfe der SNS-Instrumentenwissenschaftler Mikhail Feygenson und Jörg Neuefeind nutzten Lang und sein Team das NOS-Material (NOS) für einen detaillierten Einblick in die lokale Kristallstruktur ihrer Proben - ein NOMAD zunächst für Neutronenstreuexperimente an Ionenbestrahlte Materialien.

Neutronen sind für diese Art von Untersuchungen unverzichtbar, da sie die Position von Sauerstoffatomen, die in Materialien vorhanden sind, genau erkennen können.

"Mit Neutronen zu messen Proben von so kleinen Größen wäre schwierig gewesen, wenn nicht unmöglich, nur vor ein paar Jahren", sagte Feygenson. "Mit der Kombination des hohen Neutronenflusses von SNS und der breiten Detektorabdeckung des NOMAD-Instruments können Wissenschaftler jedoch sehr kleine Proben betrachten, die typischerweise die Domäne von Röntgenstreuexperimenten sind."

Datenanalyse von NOMAD ergab, dass die Kationen und Sauerstoffatome in den Materialien nicht zufällig auf atomarer Ebene angeordnet sind, sondern nur bei der Abtastung über längere Skalen erscheinen, eine Schlüsselerfahrung.

Lang sagte, die heterogene Störung sei unerwartet, scheint aber ein allgemeines Phänomen für viele andere Materialien zu sein, die unter rauen Bedingungen funktionieren. Er sagte, die neue Einsicht in Unordnung sei grundlegend für die Kontrolle der Sauerstoffmobilität und des Phonontransports in komplexen Oxiden, ein kritischer Aspekt für technologische Anwendungen.

Durch ein besseres Verständnis dieser Materialien könnte das Team dazu beitragen, die Leistung in einer Reihe von Technologien zu verbessern und zu kontrollieren. Ein Beispiel dafür ist die Eindämmung und Immobilisierung von Atommüll.

"Diese Fähigkeit, atomare Unordnung in ihrer Struktur unterzubringen, erklärt die Tendenz einiger Zusammensetzungen, unter Bestrahlung oder bei hohen Temperaturen vollständig amorph zu werden", sagte Lang. Solche Materialien finden Anwendung als Wirtsmaterialien zur Immobilisierung von Actiniden, wie Plutonium.

"Die Vorhersage des Transportes von Radionukliden ist wichtig für ihre sichere Verwendung, da sich nuklearer Abfall bildet, und erfordert detaillierte Kenntnisse darüber, wie die Atomstruktur auf die Selbstbestrahlung reagiert."

Lang sagte, die Daten des Teams würden dringend benötigte atomare Informationen von der anfänglichen lokalen Defektstruktur bis zu den beobachtbaren weitreichenden Materialmodifikationen liefern, so dass Abfallformeigenschaften und Degradation genau simuliert werden könnten.

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