Исследователи Аргоннской национальной лаборатории и их коллеги проследили, как ионы хлора согласованно перемещаются в кристалле хлорида стронция SrCl₂. Статья с результатами вышла 14 апреля 2026 года в журнале PRX Energy; пресс-релиз лаборатории опубликовали 4 ноября. Четырёхмерный метод квазииупругого нейтронного рассеяния позволил увидеть не только отдельные скачки ионов между узлами кристаллической решётки, но и связи между этими движениями.

Эксперимент провели на источнике нейтронов Spallation Neutron Source в Национальной лаборатории Оук-Ридж. Во время измерений монокристалл SrCl₂ поворачивали на 360 градусов. Температуру меняли в диапазоне от 800 до 1100 K, а основной анализ провели при 1050 K, когда материал находился в сверхионной фазе и его ионы двигались особенно быстро.

Что именно увидели нейтроны

При квазииупругом рассеянии нейтроны взаимодействуют с образцом, а исследователи по изменению их направления и энергии судят о движении атомов. Метод 4D-QENS добавляет к этим данным полный объём переданного импульса. Для этого кристалл непрерывно поворачивали, а затем восстанавливали картину рассеяния в трёх пространственных измерениях и по энергии.

Некогерентное рассеяние показало, как перемещаются отдельные анионы хлора. Чаще всего они перескакивали в ближайшие и следующие по удалённости узлы решётки. Среднее время между скачками составило 25,36 × 10⁻¹² секунды.

Когерентное рассеяние выявило сужение де Жена: ширина линий менялась в зависимости от волнового вектора. В физике рассеяния этот эффект связывают с устойчивыми и вероятными конфигурациями нескольких частиц. По мнению авторов, ионы могут образовывать цепочки взаимосвязанных скачков. Такие движения способны ускорять перенос, но могут и создавать временные «пробки», когда ионы задерживаются в блокирующих конфигурациях.

Представим ряд свободных мест в кристаллической решётке. Один ион перемещается, освобождая место, и соседний следует за ним: так возникает цепочка скачков. Но если ионы на время оказываются в конфигурации, которая блокирует свободное место, движение прерывается. Средняя скорость диффузии может скрыть такие различия, тогда как 4D-QENS позволяет изучать отдельные движения и их связь.

Для твёрдотельных аккумуляторов это означает возможность сравнивать электролиты не только по коэффициенту диффузии или средней скорости переноса. При разработке материала можно отдельно оценивать направления скачков, время жизни связанных конфигураций и вероятность состояний, которые задерживают ионы. Обзор результатов и подготовку научной статьи при этом нельзя подменять экспериментальными данными: метод помогает проверять модели материалов, но сам по себе не создаёт аккумулятор и не доказывает рост его ёмкости, скорости зарядки или срока службы.

В исследовании SrCl₂ служил модельным кристаллом, а не материалом для будущих аккумуляторов. Авторы считают, что метод нужно проверить на более сложных веществах, непосредственно связанных с твёрдыми электролитами. Для монокристаллов также предстоит развить теорию и методы моделирования когерентного 4D-QENS.

Схема показывает, как вращение кристалла и анализ когерентного и некогерентного нейтронного рассеяния помогают различить индивидуальные скачки и взаимосвязанное движение ионов.

Фото: turek / Pexels