(PhysOrg.com) - Al sintetizar materiales especializados para baterías de carga energética, el problema es la plantilla. El patrón para autoensamblar las esferas de tamaño nanométrico tan deseadas se desmorona, produciendo grumos irregulares de óxidos metálicos. Los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico determinaron cómo mantener intacta la plantilla. La respuesta es tan simple como agregar sal al proceso.

Los vehículos eléctricos y la red eléctrica del país se beneficiarían de los Baterías de larga duración. Los vehículos eléctricos podrían recorrer mayores distancias entre cargas. La red eléctrica podría aprovechar la energía eólica y solar almacenada. Estas baterías requieren nuevos materiales con características nanométricas específicas. Desafortunadamente, El diseño de estos materiales ha sido un proceso de prueba y error. Los científicos preferirían diseñar plantillas, mezclar reactivos, y permitir que los materiales se ensamblen solos. El problema es que las plantillas no duran. Con las respuestas de este estudio, los científicos pueden fabricar partículas idénticas que luego se ensamblan en electrodos de batería.

"Esta investigación proporciona las respuestas fundamentales necesarias para producir materiales bien definidos que funcionarán como electrodos en baterías de iones de litio y baterías de litio-aire de próxima generación, "dijo la Dra. Maria Sushko, un científico de materiales de PNNL que trabajó en el estudio con el Dr. Jun Liu.

Basándose en la investigación experimental, Los investigadores del PNNL realizaron un análisis teórico sobre la estabilidad de la plantilla para el autoensamblaje de nanopartículas de dióxido de titanio y otros óxidos metálicos. El análisis fue una teoría funcional de densidad clásica, o cDFT, estudio.

El equipo examinó la plantilla, que consta de dos partes. Primero, la base es una capa de bien definida, grafeno conductor. La segunda parte es un tensioactivo. El tensioactivo es una molécula que se define por su química de "cabeza" y "cola". La cabeza de la molécula es hidrófoba o "teme al agua" y se adhiere al grafeno. La cola es hidrófila e interactúa con la solución que contiene los ingredientes para formar las partículas de óxido metálico deseadas. El tensioactivo forma pequeños montículos sobre el grafeno que actúan como plantilla para la formación de nanopartículas.

"Pero a menos que los tensioactivos formen una estructura estable, todo lo que estás construyendo se derrumba, "dijo Sushko.

Los científicos descubrieron que la clave para la estabilidad de la plantilla era introducir una sal, específicamente cationes doblemente cargados y aniones cargados individualmente, en la mezcla. Luego, el equipo utilizó este resultado para predecir cómo crecen las nanopartículas de dióxido de titanio en la plantilla. Descubrieron que las partículas crecen entre los huecos de las plantillas semicilíndricas. Sin embargo, si las partículas superan las grietas, la plantilla cambia de montículos a suave, superficie similar a la hierba. Luego, las partículas crecen de manera inconsistente, fusionándose en grupos más grandes.

"Si utilizamos los resultados de este artículo [publicado en el Revista de química física B ], podemos cultivar nanopartículas en la materia confinada para crear más grandes, nanopartículas de óxidos metálicos de tamaño uniforme, como el dióxido de titanio, lo cual es muy importante para crear los materiales que necesita para electrodos para baterías, "dijo Sushko.

Qué sigue:el equipo está trabajando en un estudio basado en experimentos para desarrollar una comprensión profunda de los procesos de autoensamblaje y nucleación involucrados en la construcción de materiales nanocompuestos. Este próximo estudio y otros similares son necesarios para desentrañar los misterios del autoensamblaje y permitir que los científicos controlen la síntesis de materiales.