Flat está en el ojo del espectador. Cuando se habla de nanomateriales, sin embargo, ese ojo es prácticamente inútil a menos que esté mirando a través de un microscopio electrónico o una visualización por computadora. Sin embargo, los hoyos y crestas en una superficie aparentemente plana, tan pequeños que son invisibles sin tales herramientas, pueden darle al material habilidades asombrosas. El truco para los investigadores interesados ​​en aprovechar estas habilidades radica en comprender y, finalmente, predecir cómo la topografía microscópica de una superficie puede traducirse en tecnologías transformadoras.

Yury Gogotsi y sus colegas de la Universidad de Drexel recientemente necesitaron una vista atómica de un material supercondensador prometedor para clasificar los resultados experimentales que eran emocionantes pero parecían ilógicos. Ese punto de vista fue proporcionado por un equipo de investigación dirigido por los químicos computacionales del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) Bobby Sumpter y Jingsong Huang y el físico computacional Vincent Meunier.

El equipo de Gogotsi descubrió que se puede aumentar drásticamente la energía almacenada en un supercondensador de carbono reduciendo los poros del material a un tamaño aparentemente imposible, aparentemente imposible porque los poros eran más pequeños que los portadores de carga eléctrica cubiertos de solvente que se suponía que encajaban dentro de ellos. El equipo publicó sus hallazgos en la revista. Ciencias .

El misterio no era simplemente académico. Los condensadores son una tecnología importante que proporciona energía al mantener una carga eléctrica. Tienen varias ventajas sobre las baterías tradicionales:cargar y descargar casi instantáneamente y recargar una y otra vez. casi indefinidamente, sin desgastarse, pero también tienen inconvenientes, lo más importante, tienen mucha menos energía.

Un condensador eléctrico de doble capa, o supercondensador, representa un avance en la tecnología que permite una densidad de energía mucho mayor. Mientras que en los condensadores tradicionales dos placas metálicas están separadas por un material no conductor conocido como dieléctrico, en un supercondensador, un electrolito puede formar una doble capa eléctrica con materiales de electrodos que tienen áreas de superficie muy altas.

Como tal, los supercondensadores pueden lograr el mismo efecto dentro de un solo material, ya que las propiedades del material lo dividen en capas separadas con una capa muy delgada, límite no conductor. Debido a que ambos pueden renunciar a una capa dieléctrica voluminosa y hacer uso de los poros a nanoescala del carbono, Los supercondensadores pueden almacenar mucha más energía que sus homólogos tradicionales en un volumen determinado. Esta tecnología podría ayudar a incrementar el valor de las fuentes de energía limpias, pero esporádico, distribuir la energía almacenada durante los tiempos de inactividad, como la noche para una celda solar o los días tranquilos para una turbina eólica.

Así que el descubrimiento de Gogotsi fue potencialmente innovador. La energía se almacenó en forma de iones dentro de un electrolito, con los iones rodeados por capas de moléculas de solvente y empaquetados en las superficies de carbonos nanoporosos. Los investigadores pudieron controlar el tamaño de los poros en el material de carbono, haciéndolos de 0,7 a 2,7 nanómetros. Lo que encontraron fue que la energía almacenada en el material se disparó dramáticamente a medida que los poros se volvían más pequeños que un nanómetro, a pesar de que los iones en sus capas de solvatación no podían caber en espacios tan pequeños.

"Fue un misterio, "Dijo Sumpter." Mucha gente cuestionó el resultado en ese momento. Sin embargo, los datos experimentales mostraban un increíble aumento en la capacitancia ".

Afortunadamente, era un misterio que el equipo de ORNL podía desentrañar.

"Pensamos que este era un caso perfecto para el modelado computacional porque ciertamente podíamos simular poros de tamaño nanométrico, ", Dijo Sumpter." Teníamos capacidades de estructura electrónica que podían tratarlo bien, así que fue un muy buen problema para explorar ".

Usando las supercomputadoras Jaguar y Eugene de ORNL, Sumpter y su equipo pudieron observar a nanoescala la interacción entre los iones y la superficie del carbono. Una técnica computacional conocida como teoría funcional de la densidad les permitió demostrar que el fenómeno observado por Gogotsi estaba lejos de ser imposible. De hecho, descubrieron que el ión sale con bastante facilidad de su capa de solvatación y encaja en el poro a nanoescala.

"Va de tal manera que se desolva en la mayor parte para entrar porque hay potencial electrostático y fuerzas de van der Waals que lo atraen, "Sumpter explicó." Hay muchas fuerzas diferentes involucradas, pero de hecho es muy fácil que ingrese ".

El equipo de ORNL y sus colegas de la Universidad de Clemson, Universidad de Drexel, y Georgia Tech detallaron sus hallazgos en una serie de publicaciones, incluso Angewandte Chemie , Química:una revista europea , ACS Nano , Revista de Física Química C , Física Química Física Química , Revista de investigación de materiales , y nano Letras .

"Además, "Sumpter señaló, "Las protuberancias microscópicas y las hendiduras en una placa de carbón marcan una diferencia dramática en la cantidad de energía que se puede almacenar en ella o en ella.

"Cuando llegas a la nanoescala, la superficie es enorme, y la curvatura, tanto cóncavas como convexas, puede ser muy grande. Esto hace una gran diferencia en la capacitancia. Derivamos un modelo que explicaba todos los datos experimentales. Puede retroceder las piezas del modelo a partir de los cálculos de la estructura electrónica, ya partir de ese modelo se puede predecir la capacitancia para diferentes tipos de formas curvas y tamaños de poros ".

Por ejemplo, él dijo, Los cálculos mostraron que los iones portadores de carga se almacenan no solo deslizándose en los poros, sino también adhiriéndose a los montículos del material.

"Es una curvatura positiva en lugar de una curvatura negativa, "Sumpter dijo, "y pueden almacenar y liberar energía aún más rápido. Por lo tanto, puede almacenar iones dentro de un agujero o puede almacenar iones en el exterior".

Utilizando estos y otros conocimientos adquiridos mediante la simulación de supercomputadoras, el equipo de ORNL se asoció con colegas de la Universidad de Rice para desarrollar un supercondensador de trabajo que utiliza láminas de materiales de carbono del grosor de un átomo.

"Utiliza grafeno sobre un sustrato y un electrolito de gel de polímero, "Sumpter explicó, "para producir un dispositivo totalmente transparente y flexible. Puede envolverlo con el dedo, pero sigue siendo un dispositivo de almacenamiento de energía. Así que hemos ido desde el modelado de electrones hasta la creación de un dispositivo funcional que se puede sostener en la mano ".