Desde baterías de iones de litio hasta superconductores de próxima generación, la funcionalidad de muchas tecnologías modernas y avanzadas depende de la propiedad física conocida como intercalación. Desafortunadamente, es difícil identificar de antemano cuáles de los muchos materiales intercalados posibles son estables, lo que requiere mucho trabajo de laboratorio de prueba y error en el desarrollo de productos.
Ahora, en un estudio publicado recientemente en ACS Physical Chemistry Au , investigadores del Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio y socios colaboradores han ideado una ecuación sencilla que predice correctamente la estabilidad de los materiales intercalados. Las pautas de diseño sistemático permitidas por este trabajo acelerarán el desarrollo de los próximos dispositivos electrónicos y de almacenamiento de energía de alto rendimiento.
Para apreciar los logros del equipo de investigación, debemos comprender el contexto de esta investigación. La intercalación es la inserción reversible de huéspedes (átomos o moléculas) en huéspedes (por ejemplo, materiales en capas 2D). El propósito de la intercalación suele ser modificar las propiedades o la estructura del host para mejorar el rendimiento del dispositivo, como se ve, por ejemplo, en las baterías comerciales de iones de litio.
Aunque se dispone de muchos métodos sintéticos para preparar materiales intercalados, los investigadores no han tenido medios fiables para predecir qué combinaciones huésped-huésped son estables. Por lo tanto, se ha necesitado mucho trabajo de laboratorio para diseñar nuevos materiales intercalados para impartir funcionalidades a dispositivos de próxima generación. El objetivo del estudio del equipo de investigación fue minimizar este trabajo de laboratorio proponiendo una herramienta predictiva sencilla para la estabilidad entre el huésped y el huésped.
"Somos los primeros en desarrollar herramientas predictivas precisas para las energías de intercalación huésped-huésped y la estabilidad de los compuestos intercalados", explica Naoto Kawaguchi, autor principal del estudio. "Nuestro análisis, basado en una base de datos de 9.000 compuestos, utiliza principios sencillos del primer año de química de la licenciatura".
Lo más destacado del trabajo es que para los cálculos de energía y estabilidad de los investigadores sólo fueron necesarios dos propiedades de huéspedes y ocho descriptores derivados del anfitrión. En otras palabras, las "mejores suposiciones" iniciales no fueron necesarias; sólo la física subyacente de los sistemas anfitrión-huésped. Además, los investigadores validaron su modelo frente a casi 200 conjuntos de coeficientes de regresión.
"Estamos entusiasmados porque la formulación de nuestro modelo de regresión es sencilla y físicamente razonable", afirma Teruyasu Mizoguchi, autor principal. "Otros modelos computacionales en la literatura carecen de una base física o de validación frente a compuestos intercalados desconocidos."
Este trabajo es un importante paso adelante para minimizar el laborioso trabajo de laboratorio que normalmente se requiere para preparar materiales intercalados. Dado que muchos dispositivos electrónicos y de almacenamiento de energía actuales y futuros dependen de dichos materiales, se minimizará el tiempo y los gastos necesarios para la investigación y el desarrollo correspondientes. En consecuencia, los productos con funcionalidades avanzadas llegarán al mercado más rápido de lo que era posible hasta ahora.
Más información: Naoto Kawaguchi et al, Desentrañando la estabilidad de los compuestos de intercalación en capas mediante cálculos de primeros principios:establecimiento de una relación lineal de energía libre con iones acuosos, ACS Physical Chemistry Au (2024). DOI:10.1021/acsphyschemau.3c00063
Proporcionado por la Universidad de Tokio
