Uspješan rad ruđerovaca objavljen u časopisu “Acta Materialia”
Znanstvenici Instituta Ruđer Bošković, dr. sc. Ana Šantić, doktorand Juraj Nikolić, dr. sc. Luka Pavić, dr. sc. Radha D. Banhatti, prof. Andrea Moguš-Milanković u suradnji sa znanstvenicima sa Sveučilišta u Pardubicama, prof. Petrom Mošnerom i prof. Ladislavom Koudelkom objavili su rad u uglednom znanstvenom časopisu ‘Acta Materialia’ (IF= 7,293).
U ovoj opsežnoj studiji pod naslovom: ‘Scaling features of conductivity spectra reveal complexities in ionic, polaronic and mixed ionic-polaronic conduction in phosphate glasses’ istražena su električna svojstva cink fosfatnih stakala u kojima se Li2O, Na2O i Ag2O postupno zamjenjuju s oksidima prijelaznih metala (WO3 i MoO3) te je pokazano kako se primjenom jednostavne model-free analize spektara električne provodnosti mogu detektirati kompleksni procesi ionskog i miješanog ionsko-polaronskog transporta.
”U ovom radu pokazali smo kako se primjenom jednostavne analize skaliranja spektara električne provodnosti mogu detektirati kompleksni procesi ionskog i miješanog ionsko-polaronskog transporta u oksidnim staklima. Ovi rezultati važni su za razumijevanje osnovnih mehanizama električne vodljivosti u ovim materijalima i predstavljaju temelj za njihovu primjenu u elektrokemijskim uređajima.” – objašnjava dr. sc. Ana Šantić.
NOSITELJI NABOJA U OKSIDNIM STAKLIMA
Električki vodljiva oksidna stakla intenzivno se istražuju posljednjih godina zbog primjene kao elektroliti, elektrodni materijali ili neka druga specifična komponenta u različitim modernim elektrokemijskim uređajima, od krutih baterija, gorivih ćelija do „pametnih“ prozora i kemijskih senzora.
Ovisno o sastavu, ovi materijali pokazuju ionsku, elektronsku (polaronsku) ili miješanu ionsko-polaronsku vodljivost. Stakla koja sadrže prijelazne metalne okside pokazuju elektronsku vodljivost koja se opisuje mehanizmom preskoka malog polarona (small polaron hopping). U ovim su materijalima prijelazni metalni ioni prisutni u različitim oksidacijskim stanjima te je vodljivost posljedica njihovih termički aktiviranih skokova s prijelaznog metalnog iona nižeg na prijelazni metalni ion višeg oksidacijskog stanja.
Prema tome, polaronski transport snažno ovisi o ukupnom udjelu prijelaznog metalnog oksida i relativnom udjelu prijelaznog metalnog iona u različitom oksidacijskom stanju. S druge strane, stakla koja sadrže alkalijske okside pokazuju ionsku vodljivost koja je posljedica gibanja iona te ovisi o koncentraciji i pokretljivosti alkalijskih iona. Međutim, električni transport još je kompliciraniji ako staklo sadrži prijelazni metalni oksid u kombinaciji s alkalijskim oksidom i time pokazuje ionsku, polaronsku ili miješanu polaronsko-ionsku vodljivost ovisno o sastavu. U ovim staklima, električni transport ovisi o nizu faktora uključujući i dodatni utjecaj međusobnog djelovanja iona i polarona.
SPEKTRI PROVODNOSTI I VREMENSKO-TEMPERATURNA SUPERPOZICIJA
U ovom istraživanju pripravljeno je šest serija cink fosfatnih stakala u kojima se Li2O/Na2O/Ag2O postepeno zamijenio s WO3/MoO3 te su impedancijskom spektroskopijom izmjereni spektri električne provodnosti u širokom području temperatura i frekvencija. Analiza spektara provodnosti provedena je istraživanjem svojstava skaliranja kojim se testira načelo vremensko-temperaturne superpozicije (time-temperature superposition) postupkom u kojem se izoterme provodnosti pokušavaju superponirati primjenom odgovarajućih faktora pomaka, s tim da je faktor pomaka neovisan o frekvenciji.
U literaturi su poznati različiti postupci skaliranja koji koriste različite faktore pomaka. U ovom istraživanju primijenjena su dva postupka poznata kao Summerfieldovo i Sidebottomovo skaliranje. Primjena Sidebottomovog skaliranja potvrdila je postojanje vremensko-temperaturne superpozicije kod svih stakala što znači da se mehanizam vodljivosti ne mijenja s temperaturom.
Nadalje, više informacija o električnom transportu u ovim materijalima dobiveno je primjenom Summerfieldovog skaliranja koje se pokazalo neuspješnim za određena stakla. Tako je utvrđeno da stakla koja sadrže 10 do 15 mol% Li2O/Na2O/Ag2O i 30 do 40 mol% WO3 pokazuju miješani ionsko-polaronski transport zbog značajne količine oba tipa nositelja naboja, iona i polarona.
Također, kod stakala koja sadrže više od 20 mol% Li2O otkriven je netipičan mehanizam transporta Li+ iona u kojem karakteristični prostorni doseg gibanja Li+ iona nije konstantan već se povećava s temperaturom. Ovaj rijedak primjer dinamike litijevih iona objašnjava se utjecajem kompaktne cink fosfatne mreže, te jasno ukazuje na značajnu ulogu lokalne strukture stakla u ionskom transportu.
