Des physiciens théoriques de l'Université de Linköping ont développé une méthode informatique pour calculer la transition d'une phase à une autre dans des matériaux solides dynamiquement désordonnés. Il s'agit d'une classe de matériaux qui peuvent être utilisés dans de nombreuses applications respectueuses de l'environnement.

Les matériaux solides ne sont en réalité pas aussi solides qu'ils le paraissent. Normalement, chaque atome vibre en fait autour d'une certaine position dans le matériau. La plupart des modèles théoriques qui visent à décrire les matériaux solides reposent sur l'hypothèse que les atomes conservent leurs positions et ne s'en éloignent pas beaucoup.

"Ce n'est pas le cas pour certains matériaux, tels que les matériaux à très haute conductivité ionique et ceux dont les éléments constitutifs ne sont pas seulement des atomes mais aussi des molécules. Plusieurs des pérovskites qui sont des matériaux prometteurs pour les cellules solaires sont de ce type", Johan Klarbring, doctorant en physique théorique à l'université de Linköping, nous dit.

Les pérovskites sont définies par leurs structures cristallines et se présentent sous différentes formes. Leurs constituants peuvent être à la fois des atomes et des molécules. Les atomes dans les molécules vibrent, mais la molécule complète peut aussi tourner, ce qui signifie que les atomes se déplacent beaucoup plus que ce qui est souvent supposé dans les calculs.

Les matériaux qui présentent ce comportement atypique sont appelés "matériaux solides dynamiquement désordonnés". Les matériaux solides dynamiquement désordonnés présentent un immense potentiel dans des applications sensibles à l'environnement. Les matériaux qui sont de bons conducteurs ioniques sont, par exemple, prometteur dans le développement d'électrolytes solides pour batteries et piles à combustible, et pour les applications thermoélectriques.

Cependant, les propriétés des matériaux ont été difficiles à calculer théoriquement et les chercheurs ont souvent été contraints d'utiliser des expériences chronophages.

Jonas Klarbring a développé une méthode de calcul qui décrit avec précision ce qui se passe lorsque ces types de matériaux sont chauffés et subissent des transitions de phase. Johan Klarbring et son superviseur, Professeur Sergueï Simak, ont publié les résultats dans la revue scientifique Lettres d'examen physique .

Ils ont étudié l'oxyde de bismuth, Bi 2 O 3 , un matériau connu pour être un très bon conducteur ionique. Cet oxyde, où le courant est conduit par des ions oxyde, est le meilleur conducteur d'ions oxyde de tous les matériaux solides connus. Des expériences ont montré qu'il a une faible conductivité à basse température, mais lorsqu'il est chauffé, il subit une transition de phase en une phase dynamiquement désordonnée avec une conductivité ionique élevée.

"L'article de Physical Review Letters décrit comment nous avons pu pour la première fois décrire théoriquement la transition de phase dans l'oxyde de bismuth, et calculer la température à laquelle il se produit. Ceci fournit une base théorique importante pour le développement de, par exemple, électrolytes dans les piles à combustible, où il est important de savoir exactement quand a lieu la transition de phase", dit Johan Klarbring.

"Je pars d'une phase ordonnée, qui est bien décrit par les méthodes conventionnelles. J'utilise alors une technique connue sous le nom d''intégration thermodynamique', que j'ai adapté pour faire face au mouvement désordonné. La phase ordonnée est couplée à la phase désordonnée, à l'aide d'une série de calculs de mécanique quantique, réalisée au National Supercomputer Center de LiU. »

Les calculs théoriques sont en plein accord avec le comportement du matériau dans les expériences de laboratoire.

Les chercheurs prévoient maintenant de tester la méthode sur d'autres matériaux intéressants, comme les pérovskites, et sur des matériaux à haute conductivité ionique lithium. Ces derniers présentent un intérêt pour le développement de batteries hautes performances.

« Une fois que nous aurons une compréhension théorique approfondie des matériaux, il améliore les possibilités de les optimiser pour des applications spécifiques", conclut Johan Klarbring.