一叶知秋！新分析方法有望在电池和电子器件材料开发方面取得突破

摘要：

材料显微组织分析是新材料研究的关键技术之一。通过一种叫做稀疏建模的信息提取技术，研究人员合作开发出了世界上第一种仅利用测量数据分析材料原子结构的方法。该方法不需要对原子结构进行预先假设(这是传统的微观结构分析方法所需要的)。这种新方法有望改善电池的性能，延长电池的使用寿命。

材料显微组织分析是新材料研究的关键技术之一。日本熊本大学的Akai教授领导的研究人员利用一种名为稀疏建模的信息提取技术，开发出了世界上第一种仅利用实测数据分析材料原子结构和结构波动的方法。该方法无需对原子尺度结构进行预先假设(这是传统微观结构分析方法所必须的)。在其他应用中，这种新方法有望改善电池的性能并延长电池的使用寿命。

为了实现功能材料(如电池和电子设备中发现的功能物质)的新功能和进行性能改进，必须在原子尺度上评估它们的结构和结构变化。这是因为，纳米尺度的原子结构支配着它们的宏观性能。扩展x射线吸收精细结构(EXAFS)测量被广泛应用于原子尺度的微观结构分析。

通过对EXAFS振荡的测量谱进行傅里叶变换，可以获得微观结构信息来确定相邻原子是如何沿径向分布的。然而，该方法得到的径向分布与实际的径向结构有很大的不同。这种差异是由于振动波的基函数在傅立叶变换作用下的不适当展开式造成的，尤其在观测范围内，外激振荡的振幅发生了明显的变化。

振幅的变化表示结构波动，其是原子距离的变化和相邻原子的迁移率。这些物理特性由称为Debye-Waller因子的物理量表示。由于估算Debye-Waller因子需要对材料的微观结构进行假设，因此无法通过EXAFS振荡的傅里叶变换获得该因子。换句话说，由于传统EXAFS振荡光谱的分析基于假设结构，因此除非先前已知材料微结构，否则难以估计Debye-Waller因子。

为了解决这个问题，研究人员发现：原子通常是有规律分布的，这反映了它们的化学结构和成键状态。此外，原子之间的距离(原子坐标)是明显的，可以认为是“稀疏的”。研究人员随后开发了一种新的分析方法，使用一种称为“稀疏建模”的信息提取技术来分析EXAFS数据。稀疏建模是信息科学领域发展起来的一种方法，它能够发现实测数据的主要性质，甚至是少量的信息。近年来，它被广泛应用于天文学、医学科学和工程学等领域。

该方法仅使用实测数据，无需事先对材料有任何了解，即可(1)确定感兴趣原子到邻近原子之间的径向结构(微观结构)，并(2)估计Debye-Waller因子(即，邻近原子的结构波动和迁移率)。

熊本大学的Akai教授是这项研究的首席研究员，他说：“由于我们可以在没有任何资料的情况下估计Debye-Waller因子，我们希望这种方法能在材料研究的一些领域中产生重要的结果。特别是对于新物质，如热电材料(其相邻原子的热波动很重要)以及需要相邻原子间流动的超导材料。这两种材料作为二次电池的固体电解质材料正引起人们的关注。”