Las baterías y las pilas de combustible a menudo dependen de un proceso conocido como difusión de iones para funcionar. En difusión de iones, los átomos ionizados se mueven a través de materiales sólidos, similar al proceso de absorción de agua por el arroz cuando se cocina. Como cocinar arroz La difusión de iones depende increíblemente de la temperatura y requiere que las altas temperaturas se produzcan rápidamente.

Esta dependencia de la temperatura puede ser limitante, ya que los materiales utilizados en algunos sistemas, como las pilas de combustible, deben soportar altas temperaturas que a veces superan 1, 000 grados centígrados. En un nuevo estudio, un equipo de investigadores del MIT y la Universidad de Muenster en Alemania mostró un nuevo efecto, donde se mejora la difusión de iones mientras el material permanece frío, excitando sólo un número selecto de vibraciones conocidas como fonones. Este nuevo enfoque, al que el equipo se refiere como "catálisis fonética", podría conducir a un campo de investigación completamente nuevo. Su trabajo fue publicado en Informes celulares Ciencias físicas .

En el estudio, El equipo de investigación utilizó un modelo computacional para determinar qué vibraciones realmente causaron que los iones se movieran durante la difusión de iones. En lugar de aumentar la temperatura de todo el material, aumentaron la temperatura de esas vibraciones específicas en un proceso al que se refieren como excitación de fonones dirigida.

"Solo calentamos las vibraciones que importan, y al hacerlo pudimos demostrar que se podía mantener frío el material, pero que se comporte como si estuviera muy caliente, "dice Asegun Henry, profesor de ingeniería mecánica y coautor del estudio.

Esta capacidad de mantener los materiales fríos durante la difusión de iones podría tener una amplia gama de aplicaciones. En el ejemplo de las pilas de combustible, Si no es necesario exponer toda la celda a temperaturas extremadamente altas, los ingenieros podrían usar materiales más baratos para construirla. Esto reduciría el costo de las celdas de combustible y las ayudaría a durar más, resolviendo el problema de la corta vida útil de muchas celdas de combustible.

El proceso también podría tener implicaciones para las baterías de iones de litio.

"Descubrir nuevos conductores de iones es fundamental para hacer avanzar las baterías de litio, y las oportunidades incluyen permitir el uso de metal litio, que potencialmente puede duplicar la energía de las baterías de iones de litio. Desafortunadamente, falta la comprensión fundamental de la conducción de iones, "agrega Yang Shao-Horn, W.M. Profesor Keck de Energía y coautor.

Este nuevo trabajo se basa en su investigación anterior, específicamente el trabajo de Sokseiha Muy Ph.D. sobre principios de diseño para conductores de iones, que muestra una disminución de la energía fonónica en las estructuras, reduce la barrera para la difusión de iones y potencialmente aumenta la conductividad de los iones. Kiarash Gordiz, un postdoctorado que trabaja en conjunto con el Grupo de Investigación de Energía y Simulación Atomística de Henry y el Laboratorio de Energía Electroquímica de Shao-Horn, se preguntó si podrían combinar la investigación de Shao-Horn sobre la conducción de iones con la investigación de Henry sobre la transferencia de calor.

"Utilizando el trabajo anterior del profesor Shao-Horn sobre conductores de iones como punto de partida, nos propusimos determinar exactamente qué modos de fonón están contribuyendo a la difusión de iones, "dice Gordiz.

Enrique, Gordiz, y su equipo utilizó un modelo para fosfato de litio, que se encuentra a menudo en las baterías de iones de litio. Usando un método computacional conocido como análisis en modo normal, junto con cálculos de banda elástica empujados y simulaciones de dinámica molecular, el grupo de investigación calculó cuantitativamente cuánto contribuye cada fonón al proceso de difusión de iones en el fosfato de litio.

Armado con este conocimiento, los investigadores podrían usar láseres para excitar o calentar selectivamente fonones específicos, en lugar de exponer todo el material a altas temperaturas. Este método podría abrir un nuevo mundo de posibilidades.

El amanecer de un nuevo campo

Henry cree que este método podría conducir a la creación de un nuevo campo de investigación, al que se refiere como "catálisis fonética". Si bien el nuevo trabajo se centra específicamente en la difusión de iones, Henry ve aplicaciones en reacciones químicas, transformaciones de fase, y otros fenómenos dependientes de la temperatura.

"Nuestro grupo está fascinado con la idea de que es posible que pueda catalizar todo tipo de cosas ahora que tenemos la técnica para descubrir qué fonones importan, ", dice Henry." Todas estas reacciones que generalmente requieren temperaturas extremas ahora podrían ocurrir a temperatura ambiente ".

Henry y su equipo han comenzado a explorar posibles aplicaciones para la catálisis fonética. Gordiz ha estado considerando usar el método para conductores superiónicos de litio, que podría utilizarse en el almacenamiento de energía limpia. El equipo también está considerando aplicaciones como un superconductor a temperatura ambiente e incluso la creación de diamantes, que requieren una presión y temperaturas extremadamente altas que podrían activarse a temperaturas mucho más bajas a través de la catálisis de fonones.

"Esta idea de excitación selectiva, centrándose solo en las partes que necesita en lugar de en todo, podría ser un gran cambio de paradigma sobre cómo operamos las cosas, ", dice Henry." Tenemos que empezar a pensar en la temperatura como un espectro y no como un solo número ".

Los investigadores planean mostrar más ejemplos de excitación de fonones dirigidos que funcionan en diferentes materiales. Avanzando esperan demostrar que su modelo computacional funciona experimentalmente en estos materiales.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.