一種用於材料分析的新技術結合了共振X射線衍射和固態核磁共振。東京理工大學的研究人員發現了無序化合物Ba7Nb4MoO20中的Mo和Nb原子以前未知的化學順序。這一成就是通過利用共振X射線衍射和固態核磁共振等先進技術實現的。這項研究的結果強調了材料的隱藏化學秩序對其特性的影響，例如離子傳導。這些結果希望能推動材料科學和工程領域的重大進展。

Ba7Nb4MoO20的完整晶體結構

揭示晶體固體的精確結構是一項艱難的任務。材料的特性，包括離子傳導性和化學穩定性，受到化學（職業）秩序和無序的極大影響。然而，科學家們通常用來闡釋未知晶體結構的技術受到嚴重的限制。

例如，X射線和中子衍射方法是揭示晶格中原子位置和排列的強大技術。然而，它們可能不足以區分具有類似X射線散射係數和類似中子散射長度的不同原子種類。

描述該研究的信息圖。資料來源：東京工業大學的八島正友教授

為了解決這個問題，由日本東京工業大學（Tokyo Tech）的八島正友教授領導的一個研究小組試圖開發一種新的和更強大的方法來分析晶體中的秩序和無序。他們結合四種不同的技術來分析一種重要的離子導體Ba7Nb4MoO20的晶體結構。”我們選擇Ba7Nb4MoO20是因為Ba7Nb4MoO20基氧化物和相關化合物是一類新興材料，具有有趣的特性，如高離子傳導和高化學穩定性，”八島教授解釋說。”然而，鑑於Mo6+和Nb5+陽離子都有類似的散射能力，到目前為止，對Ba7Nb4MoO20的所有結構分析都是假設Mo/Nb完全無序的情況下進行的。

正如他們最近發表在《自然通訊》上的論文所描述的那樣，研究人員使用了一種方法，結合了兩種實驗技術，即共振X射線衍射（RXRD）和固態核磁共振（NMR），並以基於密度函數理論（DFT）的計算為輔助。核磁共振提供了直接的實驗證據，證明Mo原子在Ba7Nb4MoO20中只佔據了結晶學上的M2位點，表明了Mo原子的化學順序。

接下來，研究人員使用RXRD來量化Mo和Nb原子的佔據因子。他們發現，Mo原子在M2位點的佔據因子為0.5，而在所有其他位點的佔據因子為零。有趣的是，M2位點靠近Ba7Nb4MoO20的氧化離子傳導、缺氧層。這表明M2位點的Mo原子在Ba7Nb4MoO20的高離子傳導中具有關鍵作用。此外，DFT計算表明，Mo的排序穩定了表現出高離子傳導性的Mo過剩成分。質子和氧化離子的位置、佔有率和原子位移也是通過中子衍射確定的。

“我們的結果表明，Mo順序影響了Ba7Nb4MoO20的材料特性，”八島教授強調說。”在這方面，我們的工作代表了我們在理解離子導體的晶體結構和材料特性之間的相關性方面的一個重大進展。”此外，與單晶X射線和中子衍射相比，所提出的方法甚至可以擴展到其他多晶和粉末狀的樣品。

總的來說，本研究提出的方法可以為深入分析材料中的化學秩序/無序開闢新的途徑。反過來，這可能導致物理學、化學和材料科學與技術的發展。