Los científicos de materiales han descubierto el fenómeno físico que subyace a las prometedoras propiedades eléctricas de una clase de materiales llamados cristales superiónicos. Una mejor comprensión de dichos materiales podría conducir a baterías recargables más seguras y eficientes que el portador estándar de iones de litio actual.
Convirtiéndose en un tema de estudio popular solo en los últimos cinco años, los cristales superiónicos son un cruce entre un líquido y un sólido. Mientras que algunos de sus componentes moleculares retienen una estructura cristalina rígida, otros se vuelven como líquidos por encima de cierta temperatura, ypueden fluir a través del andamio sólido.
En un nuevo estudio, los científicos de la Universidad de Duke, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge ORNL y el Laboratorio Nacional de Argonne ANL probaron uno de esos cristales superiónicos que contienen cobre, cromo y selenio CuCrSe 2 con neutrones y rayos X para determinar cómo los iones de cobre del material alcanzan sus propiedades similares a las de los líquidos.Los resultados aparecen en línea el 8 de octubre en la revista Física de la naturaleza .
"Cuando CuCrSe 2 se calienta a más de 190 grados Fahrenheit, sus iones de cobre vuelan dentro de las capas de cromo y selenio casi tan rápido como se mueven las moléculas de agua líquida ", dijo Olivier Delaire, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de materiales en Duke y autor principal delestudio. "Y, sin embargo, todavía es un sólido que puedes tener en la mano. Queríamos entender la física molecular detrás de este fenómeno".
Para probar el comportamiento de los iones de cobre, Delaire y sus colegas recurrieron a dos instalaciones de clase mundial: la Fuente de neutrones de espalación en Oak Ridge y la Fuente avanzada de fotones en Argonne. Cada máquina proporcionó una pieza única del rompecabezas.
haciendo ping a una muestra grande de CuCrSe en polvo 2 hecho en Oak Ridge con poderosos neutrones, los investigadores obtuvieron una vista a gran escala de la estructura y dinámica atómica del material, revelando tanto las vibraciones del andamio rígido de átomos de cromo y selenio como los saltos aleatorios de iones de cobre dentro.
Para una visión más estrecha pero más detallada de los modos de vibración, los investigadores bombardearon un pequeño grano de CuCrSe 2 cristal con rayos X de alta resolución. Esto les permitió examinar cómo los rayos se dispersaron de sus átomos y cómo las vibraciones del andamio permitieron que se propagaran las ondas de corte, un sello distintivo del comportamiento sólido.
Con ambos conjuntos de información en la mano, el grupo de Delaire realizó simulaciones cuánticas del comportamiento atómico del material en el Centro de Computación Científica de la Investigación Nacional de Energía para explicar sus hallazgos. Por debajo de la temperatura de transición de fase de 190 grados Fahrenheit, los átomos de cobre vibran alrededor de sitios aislados, atrapados en los bolsillos de la estructura del andamio del material. Pero por encima de esa temperatura, pueden saltar aleatoriamente entre múltiples sitios disponibles. Esto permite que los iones de cobre fluyan por todo el cristal sólido.
Si bien se necesita más trabajo para comprender cómo interactúan los átomos de cobre entre sí una vez que ambos sitios se ocupan, los hallazgos ofrecen pistas sobre cómo usar materiales similares en futuras aplicaciones electrónicas.
"La mayoría de las baterías comerciales de iones de litio usan un electrolito líquido para transferir iones entre los terminales positivo y negativo de la batería", dijo Delaire. "Si bien es eficiente, este líquido puede ser peligrosamente inflamable, como desafortunadamente han descubierto muchos propietarios de computadoras portátiles y teléfonos inteligentes."
"Existen variantes de cristales superiónicos que contienen iones como litio o sodio que se comportan como el cobre en CuCrSe 2 ", dijo Delaire." Si podemos entender cómo funcionan los cristales superiónicos a través de este estudio y futuras investigaciones, tal vez podríamos encontrar una solución mejor y sólida para transportar iones en baterías recargables ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Duke . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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