El análisis de microestructuras de materiales es una tecnología clave para la investigación de nuevos materiales. Utilizando una técnica de extracción de información llamada modelado disperso, una colaboración de investigadores dirigida por el profesor Ichiro Akai de la Universidad de Kumamoto, Japón, ha desarrollado el primer método del mundo para analizar la estructura atómica yfluctuación estructural en los materiales utilizando solo datos medidos. Este método no necesita suposiciones previas sobre la estructura a escala atómica, que se requieren en los métodos convencionales de análisis de microestructura. Entre otras aplicaciones, se espera que este nuevo enfoque mejore la funcionalidad y brinde una mayor vida útil a las baterías.
Para realizar nuevas funciones y mejoras de rendimiento de sustancias funcionales, como las que se encuentran en baterías y dispositivos electrónicos, su estructura y cambios estructurales deben evaluarse a escala atómica. Esto se debe a que la estructura de los átomos a escala nanométricadomina sus propiedades. Las mediciones de la Estructura Fina de Absorción de Rayos X EXAFS se usan ampliamente para analizar microestructuras como estas en una escala atómica.
Al realizar una transformación de Fourier en el espectro medido de una oscilación EXAFS, se puede obtener información de la microestructura para determinar cómo se distribuyen los átomos adyacentes radialmente. Sin embargo, la distribución radial obtenida por este método convencional es bastante diferente de la estructura radial real. Estola discrepancia se debe a una expansión inadecuada con funciones básicas de ondas vibratorias que tienen amplitud constante por transformación de Fourier, a pesar de que la amplitud de la oscilación EXAFS cambia notablemente dentro del rango observado.
Los cambios de amplitud representan fluctuaciones estructurales, que son variaciones en las distancias atómicas y la movilidad de los átomos vecinos. Estas propiedades físicas están indicadas por una cantidad física llamada factor de Debye-Waller. Este factor no puede obtenerse mediante la transformación de Fourier de la oscilación EXAFSporque estimar el factor Debye-Waller requiere suposiciones sobre la microestructura de un material. En otras palabras, dado que un análisis del espectro de oscilación EXAFS convencional se basa en una estructura hipotética, es difícil estimar el factor Debye-Waller a menos que el materialla microestructura se conoce previamente.
Para resolver este problema, los investigadores se centraron en el hecho de que los átomos están, en general, regularmente distribuidos, lo que refleja su estructura química y sus estados de enlace. Además, las distancias entre los átomos coordenadas atómicas son distintas y pueden considerarse"disperso". Luego, los investigadores desarrollaron un nuevo método analítico utilizando un tipo de tecnología de extracción de información llamada "modelado disperso" para analizar datos EXAFS. El modelado disperso se desarrolló en el campo de la ciencia de la información y es capaz de descubrir propiedades dominantes incluso en datos medidospoca información. En los últimos años, se ha utilizado en una amplia gama de campos de investigación, como la astronomía, la ciencia médica y la ingeniería.
Usando solo datos medidos, sin ningún conocimiento previo sobre un material, el nuevo método puede 1 determinar la estructura radial microestructura de un átomo de interés a los átomos vecinos con respecto a la distancia, y 2 estimar el Debye-Factor de Waller es decir, la fluctuación estructural y la movilidad de los átomos vecinos.
"Dado que podemos estimar el factor Debye-Waller sin ninguna información previa sobre un material, esperamos que este método produzca resultados importantes en varias áreas de investigación de materiales", dijo el investigador principal, el profesor Ichiro Akai de la Universidad de Kumamoto. "Particularmentepara sustancias novedosas, como materiales termoeléctricos donde la fluctuación térmica de átomos adyacentes es importante. Y materiales conductores superiónicos que requieren movilidad entre átomos adyacentes. Ambos están atrayendo actualmente la atención como materiales electrolíticos sólidos para baterías secundarias ".
En este estudio, los investigadores aplicaron su nuevo método a los datos EXAFS de una muestra estándar de cobre y demostraron que la técnica de modelado disperso funcionó de manera adecuada y efectiva para analizar el espectro de oscilación EXAFS. Aplicando este método a varios materiales que son difíciles de analizaren detalle a través de métodos convencionales se espera que produzca desarrollos futuros.
Este trabajo fue publicado en el Revista de la Sociedad Física de Japón el 22 de junio de 2018.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Kumamoto . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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