固体中をイオンが高速で流れる仕組みを解明 ―単純物理モデルが明らかにした超イオン伝導の基礎原理―

2026-07-21 大阪大学

大阪大学を中心とする研究グループは、産業技術総合研究所、理化学研究所、東京科学大学との共同研究により、固体中でイオンが高速移動する「超イオン伝導」の発現機構を単純物理モデルによって解明した。従来は、超イオン伝導は物質ごとの複雑な結晶構造や化学組成に依存すると考えられ、普遍的な原理は明らかでなかった。研究では、本質的な相互作用のみを取り入れたモデルと大規模数値計算を用い、結晶骨格を形成するホスト粒子が構造を維持したまま、キャリア粒子だけが液体のように運動する「副格子融解」が、高速イオン輸送を生み出す鍵であることを示した。さらに、キャリア粒子間の弱い遠隔相互作用とホスト粒子の強い立体斥力が、この現象を普遍的に実現する条件であることを明らかにした。本成果は、全固体電池や熱・電気エネルギー変換材料の高性能化に向けた、原理に基づく材料設計と開発の効率化に貢献すると期待される。

固体中をイオンが高速で流れる仕組みを解明 ―単純物理モデルが明らかにした超イオン伝導の基礎原理―
図1 超イオン伝導体における基本構造:ホスト粒子は強い立体斥力によって安定な結晶骨格を形成します。一方、キャリア粒子はホスト粒子の隙間に低密度で存在し、弱い遠距離相互作用(点線)によって低温では結晶構造を形成しますが、温度の上昇とともにホスト粒子に先駆けて融解します(副格子融解)。

<関連情報>

最小モデル超イオン伝導体における副格子融解を横断する非調和的かつ不均一なキャリアダイナミクスの調査 Probing anharmonic and heterogeneous carrier dynamics across sublattice melting in a minimal model superionic conductor

Sucharita Niyogi, Takenobu Nakamura, Genki Kobayashi, +1 , and Takeshi Kawasaki
Proceedings of the National Academy of Sciences  Published:July 7, 2026
DOI:https://doi.org/10.1073/pnas.2605867123

Abstract

Despite decades of research, the microscopic origin of sublattice melting and fast ion transport in superionic conductors remains elusive. Here, we introduce a chemically neutral minimal binary model consisting of a rigid host lattice stabilized by short-range steric repulsion and a soft carrier sublattice interacting via long-range Wigner-type forces. This contrast naturally produces distinct melting temperatures and an intermediate sublattice-melting phase in which carriers become fluidlike while the host remains crystalline. Molecular dynamics simulations identify multiple dynamical regimes–crystalline, sublattice-melt, and fully molten–marked by sharp changes in diffusivity, structural correlations, and dynamical heterogeneity. Near sublattice melting, carrier motion is strongly anharmonic and spatially heterogeneous, beyond mean-field hopping descriptions. By tuning the density, we demonstrate that sublattice melting can be continuously controlled, establishing a direct link between lattice softness, anharmonicity, and collective ion transport. Comparison with conventional long-range Coulombic models confirms that our minimal model reproduces the key dynamical signatures of superionicity, providing a unified microscopic foundation for designing mechanically robust superionic conductors.

1701物理及び化学
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