科大工学院发现离子在超离子晶体中快速传输的微观奥秘

在追求更安全、充电更快的固态电池，以及更高效的热电转换技术的竞赛中，科学界一直面临一个关键挑战：如何令特定离子在坚硬的固体材料中，仍能像在液体中般快速扩散？香港科技大学（科大）机械及航空航天工程学系副教授周艳光教授的研究团队，最近成功发现离子在固体中快速传输的全新机制，为相关材料的设计提供崭新方向。

研究发现，离子在固体中的高速传输，并非单一粒子的行为，而是由系统中所有粒子共同参与的集体行为所主导。相关研究成果已于国际期刊《物理评论快报》上发表，论文题为“离子输运的根源：‘声子’—离子相互作用”。研究由周教授带领，团队成员均来自机械及航空航天工程学系，包括两位博士后研究员徐伊昕博士及向星博士、李志刚教授及助理教授陆杨龙教授。

长期以来，科学家普遍用经典的“跳跃模型”来解释离子在固体中的运动，认为离子就像一个登山者，必须耗费“体力”（能量）翻过一座座静止不动的“山峰”（势垒），才能从一个位置移动到另一个位置。然而，研究团队通过先进的机器学习分子动力学模拟发现，这种静态模型未能反映微观世界的真实情况。在超离子导体（一种离子扩散率极高的固体材料）中，原子并不是静止不动的，而是时刻处于复杂的振动之中。

研究团队以经典的超离子晶体—碲化银（α-Ag₂Te）为例，发现离子的快速迁移实际上是由两种不同类型的集体振动（声子）共同完成的。首先，不稳定的集体振动模式会产生不可逆的原子位移，直接打破局部离子的平衡状态，使离子偏离原本的位置，从而启动跳跃过程。同时，所有的原子也在进行有规律的稳定振动。这种稳定—不稳定模式的协同作用可以进一步扩大阴—阳离子间的距离，从而引发阴—阳离子对的分离。研究团队解释，离子传输是这两种振动模式协同作用的结果，不稳定的集体模式负责引入不可逆位移来启动跳跃，而稳定模式负责配合制造有效阴—阳离子对的分离，两者缺一不可。

基于这项新发现，研究团队进一步提出一种崭新的材料设计策略：通过引入缺陷以提升离子扩散性能。模拟数据显示，当在碲化银中引入10%的空位缺陷后，不稳定模式的占比显著增加，它们不仅提供了更多的跳跃机会，还加强了与稳定模式的配合。另外，在500 K的温度下，银离子的扩散速率几乎翻了一倍（从0.84×10⁻⁵ cm²/s提升至1.54×10⁻⁵ cm²/s），显示此策略在应用上具备相当潜力。

该研究的另一贡献是建立了一个更加广泛的物理模型来预测离子扩散行为。传统的反应扩散模型（Arrhenius equation）主要关注温度对跨越能垒的影响，而研究团队提出了一个基于“不稳定模式比例”的物理模型。该模型不仅能直接量化晶格振动状态对离子扩散的影响，还能精准预测不同缺陷浓度、不同热力学条件下的离子扩散系数，为理解复杂环境下的离子传输提供了更通用的理论工具。

周教授表示：“这项研究在理论物理层面成功架起了微观原子振动与宏观物质传输之间的桥梁，更具有重要的工程应用价值。它向材料科学家展示了一条清晰的路径：想要设计充电更快的固态电池或效率更高的热电材料，关键在于调控材料的振动谱，通过精心设计的材料工程（例如引入空位缺陷）来激发特定的集体振动。这一发现有望加速全固态锂电池、钠电池以及新型热电转换器件的研发进程，为清洁能源技术的普及注入新动力。”

（原文由香港科技大学环球事务及传讯处在此发布。）