虽然燃料电池作为一种有效的能量转换技术具有前景，但由于其高昂的价格和有限的寿命，它们尚未进入主流市场。克服这些障碍需要对燃料电池有基本的了解，燃料电池通过氧气和燃料之间的化学反应产生电能。当导电氧离子穿过燃料电池时，它们穿过氧原子所在的空位。认为燃料电池材料中这种氧空位的分布，排列和几何形状会影响整个装置的效率。

“制造更好的燃料电池的一个重要部分是了解氧气空位在材料内部的作用：它们移动的速度，它们如何排序，它们如何与界面和缺陷相互作用，”ORNL的AlbinaBorisevich说。“问题是如何研究它们。在不同类型的原子的背景上看到一种类型的原子是一回事。但在这种情况下，你想看看是否有一些原子缺失。看到一个空洞是更困难。“

在NatureMaterials上发表的研究中，ORNL科学家使用扫描透射电子显微镜来确定燃料电池阴极材料中氧空位的分布低于单个晶胞的水平。该团队在实验室的SpallationNeutronSource中通过理论计算和中子实验验证了其结果。

“尽管空位在电子显微照片中没有产生任何信号，但它仍然是结构中的一个很大的干扰，”Borisevich说。“你可以看到晶格在空位存在的地方扩展。因此，我们跟踪了空位周围的晶格扩展，并将其与理论模型进行了比较，我们能够为这类材料开发校准。”

通过提供一种研究原子尺度空位的方法，与试错法相比，ORNL技术将有助于以系统和深思的方式为改进的燃料电池技术的发展提供信息。

除了与燃料电池和信息存储和逻辑设备应用相关外，ORNL合着者SergeiKalinin解释说，该团队的研究还在两个传统上几乎没有共同点的科学社区之间搭建桥梁。

“从我的角度来看，这是物理学与电化学结合，”加里宁说。“这个想法是空位对能量很重要，空位对物理学来说很重要。物理学家喜欢研究的材料与用于燃料电池的材料完全相同，除非我们理解空位在界面上的表现如何，铁磁畴壁在薄膜中，我们无法完全理解这些系统的物理特性。“

该研究团队的研究也得到了物理评论快报发表的平行研究的强化，其中Borisevich和Kalinin作为共同作者，解释了如何从电子显微镜数据中获得描述空位有序系统的参数。

自然材料论文的合着者是ORNL的Young-MinKim，JunHe，MichaelBiegalski，HailemariamAmbaye，ValerieLauter，HansChristen和StephenPennycook;和范德比尔特大学的SokratesPantelides。这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。这项研究的一部分是在纳米材料科学中心和散裂中子源进行的，这些也都是由美国能源部科学办公室在ORNL赞助的。