Investigadores de la Universidad de Tohoku han revelado una nueva forma de predecir cómo sintetizar nuevos materiales mediante el intercambio iónico. Basado en simulaciones por computadora, el método reduce significativamente el tiempo y la energía necesarios para explorar materiales inorgánicos.
Los detalles de su investigación se publicaron en la revista Chemistry of Materials. el 17 de abril de 2024.
En la búsqueda de formar nuevos materiales que faciliten tecnologías energéticas eficientes y respetuosas con el medio ambiente, los científicos confían regularmente en el método de reacción a alta temperatura para sintetizar materiales inorgánicos. Cuando las sustancias primas se mezclan y se calientan a temperaturas muy altas, se dividen en átomos y luego se vuelven a ensamblar en nuevas sustancias. Pero este enfoque tiene algunos inconvenientes. Sólo se pueden formar materiales con la estructura cristalina energéticamente más estable y no es posible sintetizar materiales que se descompondrían a altas temperaturas.
Por el contrario, el método de intercambio iónico forma nuevos materiales a temperaturas relativamente bajas. Los iones de materiales existentes se intercambian con iones de carga similar de otros materiales, formando así nuevas sustancias inorgánicas. La baja temperatura de síntesis permite obtener compuestos que no estarían disponibles mediante el método habitual de reacción a alta temperatura.
Sin embargo, a pesar de su potencial, la falta de un enfoque sistemático para predecir combinaciones de materiales apropiadas para el intercambio iónico ha obstaculizado su adopción generalizada, lo que ha requerido laboriosos experimentos de prueba y error.
"En nuestro estudio, predijimos la viabilidad de materiales adecuados para el intercambio iónico mediante simulaciones por computadora", dice Issei Suzuki, profesor asistente principal en el Instituto de Investigación Multidisciplinaria de Materiales Avanzados de la Universidad de Tohoku y coautor del artículo.
Las simulaciones implicaron investigar el potencial de reacciones de intercambio iónico entre óxidos ternarios de tipo wurtzita y haluros/nitratos. Específicamente, Suzuki y sus colegas realizaron simulaciones en 42 combinaciones de β-M I GaO2 , M I =Na, Li, Cu, Ag como precursores y haluros y nitratos como fuentes de iones.
Los resultados de la simulación se dividieron en tres categorías:"se produce intercambio iónico", "no se produce intercambio iónico" y "se produce intercambio iónico parcial (se forma una solución sólida). Para confirmar sus resultados, los investigadores verificaron la simulación mediante experimentos reales, confirmando una concordancia entre simulación y experimentos en las 42 combinaciones.
Suzuki cree que su avance acelerará el desarrollo de nuevos materiales adecuados para tecnologías energéticas mejoradas. "Nuestros hallazgos han demostrado que es posible predecir si el intercambio iónico es factible y diseñar reacciones por adelantado sin ensayo y error experimental. En el futuro, planeamos utilizar este método para buscar materiales con propiedades nuevas y atractivas que aborden problemas energéticos."
Más información: Issei Suzuki et al, Diseño de reacciones topotácticas de intercambio iónico en óxidos de estado sólido mediante cálculos de primeros principios, Química de materiales (2024). DOI:10.1021/acs.chemmater.3c03016
Información de la revista: Química de los Materiales
Proporcionado por la Universidad de Tohoku
