物理科学

新的异国情调材料：将氧气转化成氢化钇

现代世界不断渴望具有性能优化的新材料的应用。设计它们不是一项简单的任务，经常依赖计算模型来测试新的材料结构是否可行。来自爱沙尼亚塔尔图大学的Aleksandr Pishtshev博士和Evgenii Strugovshchikov博士以及来自挪威能源技术研究所的Smagul Karazhanov博士一直在使用建模和晶体结构预测来发现一些特殊的氧化钇化合物，这些化合物具有不同寻常的电子和光学性质。

我们几乎每天都遇到复杂的材料设计。许多人将是高性能材料的例子，他们的化学结构有意定制到手头的工作。从锻炼衣物，设计用于透气和抗菌的汽车轮胎，设计用于最大握把，所有这些都是材料设计的例子。

在我们的计算机中可以找到非常复杂的材料设计的另一个例子。近年来，有大量的研究努力寻找具有适合用作电子芯片的材料的材料。这是因为，虽然计算能力在通过使芯片设计更小且更小的计算能力可以挤进，但我们现在已经达到了通过单独的硅基芯片小型化可以实现的限制。

我们一直使用复杂的材料，例如抗菌和透气的锻炼服装。nobefectsofiericers / shutterstock.com.

其中一个被提出的解决这一瓶颈的方法是用光来携带和传输信息，而不是用电。这就是光纤的工作原理，它正迅速成为传输互联网连接的主要方式之一。光脉冲可以编码，以包含信息，以非常快的速度传输和接收信号，损失很小。

这对管理材料稳定性的相互作用的根本认识至关重要，以指导如何最好地创造新材料。

光纤电缆不是用于操纵光的材料的唯一感兴趣的领域。具有特殊属性的材料以改变光的属性，以其他方式构建基于光的电路和商店信息也很兴趣。来自塔尔努伊大学的阿勒克斯兰德博士博士和Evgenii Strughchchchikov来自Eltonia，挪威能源技术研究所的Smagul Karazhanov博士一直在努力，以预测使用晶体结构预测方法对这些应用的新的手性材料的行为。。

从汽车轮胎到电子筹码锻炼衣服：我们依靠高性能材料。
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手性:一个旋向问题
手性分子或材料具有一种结构，意味着，如果要在镜子中反射，则反射结构不会叠加到原始的结构。我们的手是手性结构的自然典范。无论你如何扭曲，扭曲和转动，你的左手都不能看起来完全像你的权利。

虽然手性材料通常很难制造，但它们对光线有有趣的影响。光是电磁波的一个例子，所以它是由振荡的电场和磁场组成的。电场相对于给定参照系的相对方向被称为光的偏振光，某些材料可以用来塑造这种偏振光。当光穿过手性材料时，电场的方向随时间呈螺旋运动，它就会变成圆偏振。

许多药物是手性分子的实例，使它们能够挑战合成和纯化。一对手性分子可具有相同的原子，但它们的不同结构意味着它们与体内的受体没有相同的相互作用。作为手性分子的所有新药必须具有测试和批准的两种形式，但这意味着需要检测不同形式的手性材料并帮助它们分离它们，如果它们是混合物的一部分。

Karazhanov博士及其合作者对基于钇的一系列材料特别感兴趣 - 一种不寻常的元素，通常在固态激光器，发光二极管和合成装甲中的材料中发现。该团队专注于氧化钇氧化钇 - 固体材料，其往往显示手性性质，但难以合成。

指导实验室
通过使用计算方法，Strugovshchchikov和该团队能够探索具有或多或少氧气和不同晶体结构的氢化物的不同化学组成，其中相同的原子布置在不同的几何形状中。因为它们具有筛选数百种潜在的化合物来识别出哪些可能是稳定和可行的，这可以减少实验室生产这些化合物的时间，因为许多可能是太不稳定的．碘化物化合物如y_4.H_10.o（p-43m）和yho（pnma，p-43m和f-43m）的三个阶段已经由研究团队在实验室合成之前理论上预测。

该团队用于预测氧化钇晶体结构的模拟也使他们能够探索材料内部的物理和相互作用，而不仅仅是其整体稳定性。由此，Pishtshev博士和他的同事已经能够识别出控制一种可能材料稳定性的关键因素是正电荷离子(阳离子)和配体之间的相互作用。这种对控制材料稳定性的相互作用的基本理解，对于指导如何最好地创造新材料和改进现有材料至关重要。

研究小组用于预测氧化钇晶体结构的模拟也使他们能够探索材料内部的物理和相互作用。

从这些知识，以及调整钇系统的氧化程度，该团队可以探索材料衍生物的稳定性。这包括看含有不同金属离子的结构，例如它们所显示的钪，镧和钆和钆也稳定，并且可以与三种不同的带负电的阴离子组合，大大增加可以产生的可能材料的数量。具有更大的化合物文库可供选择，使得可以找到元素的组合，以产生具有恰当的应用的正确性的材料。

图1. y的预测晶体结构₂H_3.O(OH): (a)单元胞沿四方c轴的示意图。(b)沿轴观察的多面体链的特征模式。Pishtshev A.， Strugovshchikov E.， & Karazhanov S.(2020)。关于一种新型手性材料的预测₂H_3.O（OH）：含有氢和质子氢的羟基氢化物。材料13(4)。可用于： https://doi.org/10.3390/ma13040994

轻呼吸
一种钇络合物，二氢化钇，在暴露于空气中并吸收氧气时，突然变得透明，并起到绝缘体的作用。如果新生成的氢化钇暴露在光照下，它会再次变暗，这是一个可逆过程。由于材料的晶格必须膨胀以适应氧气，这个过程被称为“光呼吸”。Karazhanov博士和他的同事们一直在努力研究是什么导致了这种效应，以及如何利用这种效应来改变材料的可转换性质。

对于这种光呼吸过程如何改变钇复合物的性质，存在许多实验观察，包括影响其疏水性。虽然光线存在是必要的，但通过计算模型，Karazhanov博士能够表明该方法在空气中更有效的原因是因为样品的全面漂白需要吸收足够的氧水平。他们能够确定氧气如何通过晶格弥漫，直至其达到结合位点和氢化物晶格膨胀。

结论
计算模型方法可以理解材料中单个原子的行为，对于预测和设计新材料，以及理解它们的功能，是一个非常强大的工具。

图2.由圆形螺旋组成的手性包装方案。由（a）y（1）和h（3），（b）y（2）和o（1），（c）h（1）和h（2），（d）o（2））和h（4）。（e）六个连接螺旋链的柱代表Y的手性框架的构建块₂H_3.o（哦）。Pishtshev A.， Strugovshchikov E.， & Karazhanov S.(2020)。关于一种新型手性材料的预测₂H_3.O（OH）：含有氢和质子氢的羟基氢化物。材料13(4)。可用于：https://doi.org/10.3390/ma13040994

个人反应

你认为钇基材料的主要应用是什么?

发现氧化氢化钇在环境条件下的可见光下的照明下改变它们的光学传输，吸引了科学界的注意力在下一代光致变色涂层（智能窗口）和光电器件（气体传感器）中的潜在应用。从我们的理论分析，遵循预测的氧化钇倍全表现出不寻常的弹性，电子和光学性质，高机电应答以及强光学非线性。因此，给定的系统可以是设计高性能随机存取存储器，非线性光学装置，高灵敏度传感器和致动器的有效方法，以及纳米化铁电隧道连接。

文章参考文献

•巴巴，E. M.，Montero，J.，Strugovshchicov，E.，Zayim，E.Ö。，＆Karazhanov，S。（2020）。光致呼吸在光致变色氧化钇中。物理评论材料，4（2），1-8。可用于：https://doi.org/10.1103/physrevmaterials.4.025201.

•Pishtshev，A.，＆Karazhanov，S. Z.（2014）。氧气在钇三水合钇材料性质中的作用。固态通信，194,39-42。可用于：https://doi.org/10.1016/j.ssc.2014.06.012

•Pishtshev, A.， & Karazhanov, s.z.(2017)。立方碘化亚铜的结构-性质关系:稳定性、化学键和电子性质的新观点。化学物理杂志，146（6）。可用于：https://doi.org/10.1063/1.4975176

•Pishtshev，A.，Strugovshchikov，E.，＆Karazhanov，S。（2019）。氧化钇氧化氢化物的概念设计：相图，结构和性质。晶体生长与设计，19（5），2574-2582。可用于：https://doi.org/10.1021/acs.cgd.8b01596

•Pishtshev，A.，Strugovshchikov，E.，＆Karazhanov，S。（2020）。关于一种新型手性材料的预测₂H_3.O（OH）：含有氢和质子氢的羟基氢化物。材料，13(4)。可用于：https://doi.org/10.3390/ma13040994

后面的研究

艾雷克兰博士Pishtshev.

Aleksandr Pishtshev博士是塔尔图大学物理研究所的固态理论实验室材料建模组的领导者。他是对材料发现，缺陷建模，结构 - 财产关系和阶段过渡和临界现象感兴趣的凝聚力理论家。他的研究侧重于使用量子化学和数学方法在量子光学，生态和生物医学中开发新一代材料的有效理论模型。

Evgenii Strugovshchikov

Evgenii Strugovshchikov是Tartu大学的最后一年博士学生。E. Strugovshchchikov正在研究稀土金属碘化物的浓缩阶段的计算和理论建模，重点是在原子测量中操纵组合物和局部环境以控制结构和性质。他的研究兴趣包括固体培养基中的混合阴离子化学的基本方面。E. Strugovshchikov培养了来自莫斯科国家研究核大学Mephi的材料科学硕士学位。

博士Smagul Karazhanov

Smagul Karazhanov博士在Karakalpak州立大学学习，Nukus，Repubsic Karakalpakstan，乌兹别克斯坦。他在物理与技术研究所的物理和数学中获得了他的博士学位（1993）和Habil学位（2001），塔什干乌兹别克斯坦。他正在2007年以来的能源技术研究所，Kjeller吉利勒研究所工作。他的研究兴趣包括材料科学，太阳能材料和太阳能电池，发色材料和装置，以及人造光合作用。

研究目标

研究组开发了可以将氧原子添加到钇氢化物系统中的可能途径。

资金

A. Pishtshev博士得到了爱沙尼亚研究委员会Grant PRG 347的支持.e. Strugovshchicov承认欧洲区域发展基金的支持。Z. Z. Karazhanov博士已通过项目309827获得挪威研究委员会的资金。通过使用NN4608K的项目使用挪威兼容超级计算设施进行了计算工作。