一种用于材料分析的新技术结合了共振X射线衍射和固态核磁共振。东京理工大学的研究人员发现了无序化合物Ba7Nb4MoO20中的Mo和Nb原子以前未知的化学顺序。这一成就是通过利用共振X射线衍射和固态核磁共振等先进技术实现的。这项研究的结果强调了材料的隐藏化学秩序对其特性的影响，例如离子传导。这些结果希望能推动材料科学和工程领域的重大进展。
Ba7Nb4MoO20的完整晶体结构
揭示晶体固体的精确结构是一项艰难的任务。材料的特性，包括离子传导性和化学稳定性，受到化学（职业）秩序和无序的极大影响。然而，科学家们通常用来阐释未知晶体结构的技术受到严重的限制。
例如，X射线和中子衍射方法是揭示晶格中原子位置和排列的强大技术。 然而，它们可能不足以区分具有类似X射线散射系数和类似中子散射长度的不同原子种类。
描述该研究的信息图。资料来源：东京工业大学的八岛正友教授
为了解决这个问题，由日本东京工业大学（Tokyo Tech）的八岛正友教授领导的一个研究小组试图开发一种新的和更强大的方法来分析晶体中的秩序和无序。他们结合四种不同的技术来分析一种重要的离子导体Ba7Nb4MoO20的晶体结构。"我们选择Ba7Nb4MoO20是因为Ba7Nb4MoO20基氧化物和相关化合物是一类新兴材料，具有有趣的特性，如高离子传导和高化学稳定性，"八岛教授解释说。"然而，鉴于Mo6+和Nb5+阳离子都有类似的散射能力，到目前为止，对Ba7Nb4MoO20的所有结构分析都是假设Mo/Nb完全无序的情况下进行的。
正如他们最近发表在《自然通讯》上的论文所描述的那样，研究人员使用了一种方法，结合了两种实验技术，即共振X射线衍射（RXRD）和固态核磁共振（NMR），并以基于密度函数理论（DFT）的计算为辅助。核磁共振提供了直接的实验证据，证明Mo原子在Ba7Nb4MoO20中只占据了结晶学上的M2位点，表明了Mo原子的化学顺序。
接下来，研究人员使用RXRD来量化Mo和Nb原子的占据因子。他们发现，Mo原子在M2位点的占据因子为0.5，而在所有其他位点的占据因子为零。有趣的是，M2位点靠近Ba7Nb4MoO20的氧化离子传导、缺氧层。这表明M2位点的Mo原子在Ba7Nb4MoO20的高离子传导中具有关键作用。此外，DFT计算表明，Mo的排序稳定了表现出高离子传导性的Mo过剩成分。质子和氧化离子的位置、占有率和原子位移也是通过中子衍射确定的。
"我们的结果表明，Mo顺序影响了Ba7Nb4MoO20的材料特性，"八岛教授强调说。"在这方面，我们的工作代表了我们在理解离子导体的晶体结构和材料特性之间的相关性方面的一个重大进展。"此外，与单晶X射线和中子衍射相比，所提出的方法甚至可以扩展到其他多晶和粉末状的样品。
总的来说，本研究提出的方法可以为深入分析材料中的化学秩序/无序开辟新的途径。反过来，这可能导致物理学、化学和材料科学与技术的发展。