Como aislantes, Los óxidos metálicos, también conocidos como cerámicos, pueden no parecer candidatos obvios para la conductividad eléctrica. Mientras que los electrones van y vienen en metales regulares, su movimiento en materiales cerámicos es lento y difícil de detectar.

Una colaboración interdisciplinaria dirigida por Richard Robinson actualizó el "modelo de salto de polarón pequeño" para reflejar diferentes vías de conducción en cerámica. Su trabajo ayudará a los investigadores que están adaptando las propiedades de los óxidos metálicos en tecnologías como las baterías de iones de litio, pilas de combustible y electrocatálisis.

Pero la cerámica contiene una amplia gama de conductividades. Este comportamiento se estableció en 1961 en el "modelo de salto de polarón pequeño, "que describía el movimiento de los polarones, esencialmente electrones acoplados a una distorsión reticular, de un extremo al otro de un material.

Una colaboración interdisciplinaria dirigida por Richard Robinson, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Facultad de Ingeniería, ha demostrado cuán desactualizado e inexacto es ese modelo, especialmente en lo que respecta a los sistemas de óxidos complejos. Al actualizar el modelo para reflejar diferentes vías de conducción, el equipo espera que su trabajo ayude a los investigadores que están adaptando las propiedades de los óxidos metálicos en tecnologías como las baterías de iones de litio, pilas de combustible y electrocatálisis.

Su papel "Desglose del modelo de salto de polarón pequeño en espinelas de orden superior, "publicado el 21 de octubre en Materiales avanzados . El autor principal es el estudiante de doctorado Anuj Bhargava.

"Esta es la fórmula más utilizada en el campo, pero no se había tocado en 60 años. Eso es muy importante porque hoy en día, Los óxidos metálicos se utilizan en muchas aplicaciones donde el rendimiento se ve afectado directamente por la conductividad, por ejemplo, en sistemas energéticos como el almacenamiento y la generación de energía eléctrica, electrocatálisis, y en materiales de nueva generación, ", Dijo Robinson." Mucha gente está poniendo una gran cantidad de esfuerzo experimental en los óxidos en este momento, pero no han examinado detenidamente cómo se mueven los portadores de carga en el material, y cómo la composición influye en esa conductividad.

Colaboración radical

"Si entendiéramos cómo se conducen los electrones y pudiéramos personalizar la composición para tener la conductividad más alta, podríamos optimizar la eficiencia energética de muchos materiales que existen, " él dijo.

Para obtener una visión detallada de la forma en que los electrones se mueven en los óxidos metálicos y cómo sus lugares de ocupación pueden afectar la conductividad del material, Robinson se volvió hacia Darrell Schlom, el profesor Herbert Fisk Johnson de Química Industrial. Schlom y su equipo utilizaron la Plataforma para la realización acelerada, Análisis, y Discovery of Interface Materials (PARADIM) y la instalación de ciencia y tecnología de Cornell NanoScale (CNF) para cultivar y caracterizar películas cristalinas delgadas de óxido de hierro dopado con manganeso (MnxFe3-xO4).

El grupo de Robinson luego usó la Fuente de Sincrotrón de Alta Energía de Cornell (CHESS) para determinar las ubicaciones atómicas y el estado de carga de los iones cargados positivamente, llamados cationes, y midió cómo cambia la conductividad del material a diferentes temperaturas.

Le llevaron el material a Lena Kourkoutis, profesor asociado de física aplicada e ingeniería, que utilizó microscopía electrónica avanzada para obtener una vista atómicamente precisa del sustrato del cristal y los gradientes de composición, y confirmó los hallazgos del equipo.

Finalmente, El equipo de Robinson consultó a investigadores del Technion, Instituto de Tecnología de Israel, que utilizó métodos computacionales para explicar cómo los polarones saltan de manera diferente en los materiales en función de las barreras de energía y los estados de oxidación. Sus resultados revelaron la existencia de grandes barreras energéticas asociadas con la "conmutación" de rutas de conducción entre dos cationes diferentes. y esto proporcionó la pieza final crucial que era necesaria para armar una nueva fórmula.

"Este nuevo hallazgo nos da una idea de algo que se ha pasado por alto. En lugar del edisoniano, enfoque de prueba y error de simplemente hacer y probar un montón de materiales nuevos, ahora podemos adoptar un enfoque más sistemático para averiguar por qué los materiales se comportan de manera diferente, especialmente en este nivel realmente importante, que es la conductividad electrónica, ", Dijo Robinson." Los procesos importantes en los materiales energéticos implican la conductividad, electrones que entran y salen del material. Entonces, para cualquier aplicación con óxidos metálicos, la conductividad es importante ".