Суперионная проводимость фуллерита

-->

В названии статьи[1] утверждается, что полимер – фуллерид лития Li4C60 является суперионным проводником. Такое категорическое утверждение, да еще выложенное в заглавие, говорит о том, что авторы хорошо понимали, какого масштаба результат выносят на суд общественности

Суперионные проводники появились как понятие и термин в конце семидесятых годов прошлого века, хотя с материалами этого типа экспериментировал еще Фарадей. К суперионным проводникам относят материалы, являющиеся изоляторами по электронному току, но с высокой проводимостью по току ионов (от 10-1 – 10-2 См/cм). В некотором смысле это аналоги металлов, только вместо электронной ферми-жидкости в их решетке налита тяжелая классическая жидкость ионов, причем, в каждом суперионике – ионов одного конкретного типа. Второе название материалов этого класса – твердые электролиты – характеризует их достаточно точно; отличие от жидких электролитов в том, что в твердых ток переносится только одним типом ионов, остальные же образуют жесткую кристаллическую решетку. Для исследователя, привыкшего к объектам физики конденсированного состояния, материал в чем-то противоестественен. Глядя на крупный, порядка кубического сантиметра, прозрачный, чуть желтоватый монокристалл RbAg4I5, невозможно представить себе, что это только футляр для расплавленной (при комнатной температуре) подрешетки катионов серебра.

Fullereny_3.jpg

Суперионные проводники имеют массу применений, наиболее интересные – для конденсаторов сверхвысокой емкости, которые впервые были использованы в космических аппаратах Apollo. В литий-ионных батареях самообразующаяся суперионная пленка предотвращает замыкание катода и анода и саморазряд батареи электронным током.

Фуллериты известны, наверное, даже еще шире. Они – производная фуллеренов, о существовании которых ученые узнали в 1985 году. В ходе исследования свойств сферических молекул оказалось, что молекулы фуллеренов способны образовывать соединения с щелочными металлами – фуллериты, которые уже не молекулы, как фуллерены, а макроскопический материал, обладающий кристаллической решеткой. Как оказалось, фуллериты могут быть сверхпроводниками, причем некоторые до довольно высоких (по меркам классической сверхпроводимости) температур – около 30 К. Но в целом, фуллерен и его производные оказались скорее чудом природы и предметом любования, а не чем-то конкретно полезным.

И вот, сообщение о суперионной проводимости фуллерита связало то, что раньше не имело параллелей ни в каком контексте.

Правда, если задуматься заранее, такое можно было предугадать. Большие молекулы фуллерена, соединяясь в решетку, оставляют достаточно большие полости – “каналы”, по которым способны передвигаться маленькие подвижные ионы. Но легко ли знать, о чем нужно задуматься заранее? К тому же с ионной проводимостью не все так просто. Обычно большие ионы в полости не проходят, но и слишком маленькие имеют низкую подвижность, т.к. локализуются на стенках “каналов”. Чтобы ион действительно мог двигаться в решетке, должен быть сбалансирован целый ряд взаимодействий между ионом и решеткой. В конечном итоге, как часто бывает, успех (в данном случае высокая проводимость) – в значительной мере дело случая.

В своем стремлении преподнести вновь открытый суперионный материал с самой лучшей стороны, авторы грешат избыточной критикой суперионных проводников, которые были известны до них. Энергия активации диффузии лития в новом материале, приводимая авторами – около 200 мэВ, действительно меньше, чем у “большинства” супериоников (как пишут они), но заметно больше чем у некоторых высокопроводящих суперионных проводников (например, 50 мэВ у α-AgI). Аналогично и с проводимостью – у нового материала при комнатной температуре проводимость 10-2 См/см, а у рубидий-серебра пентаиодистого, используемого в технике с 70-х годов – более 1 См/см. Да и вообще в том, что материал удалось записать в суперионные проводники, есть значительный элемент случайности. Все остальные фуллериты – металлы, и даже при большой ионной проводимости они могли бы оказаться лишь в классе т.н. “смешанных проводников” – материалов, проявляющих и электронную и ионную проводимость. Li4C60 оказался материалом с запрещенной зоной полупроводникового типа шириной около 0.77 эВ. Благодаря этому вблизи комнатной температуры его электропроводность преимущественно ионная, что и позволило авторам отнести его к суперионным проводникам.

Пока свойства нового материала еще слишком мало изучены для того, чтобы можно было прогнозировать его будущие применения. Но, как правило, все интересное появляется на стыке областей.

М. Компан

  • 1. M.Riccò et al., Phys. Rev. Lett. 102, 145901 (2009)

Опубликовано в NanoWeek,


Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 4.2 (5 votes)
Источник(и):

«ПерсТ»: Суперионная проводимость фуллерита