铜离子首次像液体一样在晶体中流动，优异电学特性可用于电池传输离子！

这是一种迷人的、优越的超离子晶体结构的艺术再现，它含有铜离子，在铬和硒的固体层之间像液体一样运动，从而产生有用的电学特性。

材料科学家们已经研究出一类被称为“超离子晶体”的材料，这种有着令人振奋的优异电性能。有了对这些材料更深刻的理解，我们就能够制造出比目前锂离子标准载体更安全、更有效的可充电电池。

超离子晶体在最近五年才成为一个热门的研究课题，它是液体和固体的结合体。这种晶体的一些分子组分保持着坚硬的晶体结构，而另一些分子组分则在一定温度以上变成液态，并能流过固体层。

在一项新的研究中，杜克大学、橡树岭国家实验室和阿贡国家实验室的科学家们用中子和x射线探测了一种含有铜、铬和硒(CuCrSe2)的超离子晶体，以确定该材料的铜离子如何获得它们的液体性质。这项研究成果在十月八号发表在“Nature Physics”杂志上。

杜克大学机械工程与材料科学专业的副教授Olivier Delaire说：“当CuCrSe2被加热到华氏190度以上时，它的铜离子就会在铬和硒层中流动。奇怪的是，材料本身仍然是你肉眼看到可以放在手掌上的固体。我们想了解这种现象背后的分子物理学。”

为了探索铜离子的行为，Delaire 和他的同事们用到了两个世界级的设备：橡树岭的散裂中子源和阿尔冈的先进光子源。每台机器都为材料的分析提供了更好的手段。

通过用强大中子撞击橡树岭实验室上制成的大尺寸的粉末CuCrSe2样品，研究人员对该材料的原子结构和动力学进行了广泛的观察，揭示了铬和硒原子的刚性固体层的振动以及内部铜离子的随机跳跃。

为了研究范围更窄更详细的振动模式，研究人员用高分辨率x射线轰击了一颗细小的CuCrSe2 晶体，这使得他们能够研究射线是如何从原子中散射出来的，以及固体层振动是如何使横波传播的，这是固体行为的一个特征。

在掌握这两组信息的情况下，Delaire的小组在国家能源研究科学计算中心对该材料的原子行为进行了量子模拟，以解释他们的发现。在190华氏度的相变温度以下，铜原子围绕孤立点振动，最后被困在材料支架结构的空隙中。但在这个温度之上，它们可以在多个点之间随机跳跃，铜离子通过其他固体晶体流动。

我们仍然需要做更多的工作来了解铜原子是如何相互作用的，在未来的电子应用中，这些发现将为如何使用类似的材料提供了线索。

Delaire 说：“大多数商用锂离子电池使用液体电解液在电池的正负终端之间传递离子。这种液体虽然高效，但缺点是危险易燃，许多用户的笔记本电脑和智能手机用户不幸出现了这类故障。”

Delaire说：“有一些超离子晶体中含有的锂或钠等离子，它们的行为就像CuCrSe2中的铜一样。如果我们能够通过这项研究和未来的研究了解超离子晶体的工作原理，我们或许可以找到一种更好的固溶体，用于在可充电电池中传输离子。”