Исследователи из Института науки Токио и их коллеги создали керамику Bi₁.₉Te₀.₁LaO₄.₀₅Br, которая проводит оксид-ионы при сравнительно низкой температуре. В статье, опубликованной 14 октября 2026 года в журнале Nature Communications, сообщается, что при 233 °C объёмная проводимость материала достигла 0,01 См/см. Это в 13 раз выше, чем у исследованного ранее аналога, где вместо брома использовали хлор.

Почему ионы движутся через пустые места в решётке

Когда учёные заменили хлор на более крупный и более поляризуемый бром, проводимость выросла, как и число кислородных вакансий. Вакансия — это пустое место в кристаллической решётке, где мог бы находиться атом кислорода. Оксид-ион может перескочить на такое место, оставив вакансию там, откуда переместился.

Перенос через вакансии оказался неожиданным, поскольку материал содержит избыток кислорода. В подобных веществах обычно ожидали другого механизма: лишний оксид-ион перемещается между обычными узлами решётки и передаёт движение соседним ионам. Однако нейтронная дифракция и расчёты показали, что на большие расстояния ионы здесь преимущественно перемещаются через вакансии. В компьютерном моделировании за 100 пикосекунд произошло 37 перемещений по этому механизму и два по междоузельному. Расчётный энергетический барьер для вакансионного пути составил 0,43 электронвольта, для междоузельного — 0,74.

Представим ряд занятых мест с одним свободным: ион переходит на свободное место, а пустота оказывается там, откуда он ушёл. Так вакансия как будто движется в противоположном направлении. Это лишь аналогия: в кристалле перемещаются ионы внутри упорядоченной решётки, а не по буквальному ряду ячеек.

Число перемещений рассчитали для моделирования при 900 °C. Это не прямое наблюдение движения ионов при температуре измерения проводимости, 233 °C. Есть и другое ограничение: объёмная проводимость материала выше проводимости всего образца, поскольку границы между зёрнами создают сопротивление. Авторы считают, что для практического применения нужно улучшить микроструктуру керамики.

Работа посвящена переносу оксид-ионов в твёрдом электролите, а не проверке готового топливного элемента. Подготовить обзор публикаций по теме можно с помощью сервиса подбора литературы для научной работы.

Схема вакансионного переноса: оксид-ион переходит на пустой узел решётки, а вакансия смещается в противоположном направлении

Фото: cottonbro studio / Pexels