據(jù)外媒報(bào)道，能源部布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Brookhaven National Laboratory)、石溪大學(xué)(SBU)、能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LNBL)材料項(xiàng)目、加州大學(xué)伯克利分校(University of California，Berkeley)以及歐洲的研究人員聯(lián)手開(kāi)發(fā)出一種新方法，可以利用研磨粉末樣品數(shù)據(jù)，解析材料的原子層面結(jié)構(gòu)。
這種方法展示了解析材料結(jié)構(gòu)的能力，而這些材料具有使離子在鈉離子電池中穿梭的可能性。研究人員Peter Khalifah表示：“我們的方法結(jié)合了實(shí)驗(yàn)、理論和現(xiàn)代計(jì)算工具，即使只有粉末樣品可用，也可以提供理解重要功能材料所需的優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。”
在某種程度上，這項(xiàng)技術(shù)是一種逆向工程，不直接使用粉末樣品測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)解析結(jié)構(gòu)(對(duì)于許多材料來(lái)說(shuō)，這都很復(fù)雜)，而是使用計(jì)算機(jī)算法來(lái)構(gòu)建和評(píng)估材料的所有合理結(jié)構(gòu)。即使結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜造成傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)解決方案不起作用，通過(guò)這種方式分析與物質(zhì)相關(guān)的“基因組”也有可能找到正確的結(jié)構(gòu)。
歐洲研究人員Matteo Bianchini和Francois Fauth利用西班牙巴塞羅那的ALBA同步加速器，進(jìn)行X射線粉末衍射實(shí)驗(yàn)。科學(xué)家利用該設(shè)施中明亮的X射線，研究一種名為NVPF的鈉離子電池正極材料在各種溫度下(從室溫到大氣氣體液化等極低溫度下)的原子排列。這項(xiàng)工作很有必要，因?yàn)楫?dāng)NVPF材料在低溫下冷卻時(shí)，室溫時(shí)存在的無(wú)序結(jié)構(gòu)就會(huì)消失。盡管電池是在接近室溫的溫度下工作，但解析材料的低溫結(jié)構(gòu)仍然至關(guān)重要，因?yàn)橹挥羞@種低溫?zé)o障礙結(jié)構(gòu)，才能讓科學(xué)家清楚地了解室溫下存在的真正化學(xué)鍵。這種化學(xué)鍵環(huán)境強(qiáng)烈影響離子在室溫下穿過(guò)結(jié)構(gòu)的方式，從而影響NVPF作為電池材料的性能。
Khalifah表示：“在低溫和室溫下，鈉原子周圍的鍵合環(huán)境(即每個(gè)原子有多少鄰居)基本類似。”然而，想要在室溫下捕捉細(xì)節(jié)，就像讓小孩子安靜地坐著拍照一樣難。“所有的東西都變得很模糊，因?yàn)殡x子移動(dòng)得太快了。”因此，利用室溫?cái)?shù)據(jù)推斷出來(lái)的鍵合環(huán)境有時(shí)是不準(zhǔn)確的。相比之下，在低溫環(huán)境下，鈉離子難以移動(dòng)，反而可以提供鈉離子所處的局部環(huán)境的真實(shí)圖像。Khalifah指出：“隨著材料的冷卻，24個(gè)相鄰鈉離子被迫從兩個(gè)可能的位置中選擇一個(gè)，這時(shí)就可以得到能量最低時(shí)的‘有序’模式。”
Bianchini對(duì)粉末X射線衍射數(shù)據(jù)的初步分析表明，有序模式非常復(fù)雜。對(duì)于具有如此復(fù)雜順序的材料，通常不可能利用粉末衍射數(shù)據(jù)來(lái)解析其三維原子結(jié)構(gòu)。Khalifah說(shuō)：“粉末衍射數(shù)據(jù)被壓縮至一維，很多信息都丟失了。”然而，材料是由許多不同類型元素組成的，比如NVPF由鈉、釩、磷、氟和氧原子構(gòu)成，其化學(xué)式為Na3V2(PO4)2F3。根據(jù)更傳統(tǒng)的三維X射線結(jié)晶學(xué)，很難長(zhǎng)成更大的晶體。
因此，研究人員合作開(kāi)發(fā)了一種新的“基因組”方法，僅利用粉末衍射數(shù)據(jù)即可解析非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。Khalifah說(shuō)：“我們沒(méi)有使用粉末衍射數(shù)據(jù)直接解析結(jié)構(gòu)，而是采用了另一種方法。我們先提出鈉離子在結(jié)構(gòu)中的合理排列是什么，然后以自動(dòng)化的方式對(duì)每一種排列進(jìn)行測(cè)試，并將其與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以找出這種結(jié)構(gòu)。”
在僅用粉末衍射數(shù)據(jù)求解的材料中，NVPF結(jié)構(gòu)是迄今為止最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)之一。Khalifah說(shuō)：“如果沒(méi)有現(xiàn)代的計(jì)算工具，我們就不可能完成這項(xiàng)科學(xué)工作，比如用來(lái)生成合理化學(xué)結(jié)構(gòu)的枚舉方法，以及復(fù)雜的自動(dòng)化腳本，這些腳本利用Pymatgen(PYTHON材料基因組學(xué))軟件包來(lái)完善這些結(jié)構(gòu)。”