_ Un instrument de predicție bazat pe fizică pentru a accelera cercetarea bateriilor și a supraconductorilor

De la bateriile cu litiu-ion la supraconductorii de ultimă generație, funcționalitatea multor tehnologii moderne și avansate depinde de proprietatea fizică cunoscută sub numele de intercalare. Din păcate, este dificil să se identifice în prealabil care dintre multele materiale intercalate posibile sunt stabile, ceea ce necesită multă muncă de laborator de încercare și eroare în dezvoltarea produselor.

Acum, într-un studiu publicat recent în ACS Physical Chemistry Au, cercetătorii de la Institutul de Științe Industriale, Universitatea din Tokyo și partenerii colaboratori au conceput o ecuație simplă care prezice corect stabilitatea materialelor intercalate. Orientările sistematice de proiectare permise de această lucrare vor accelera dezvoltarea viitoarelor dispozitive electronice de înaltă performanță și de stocare a energiei.

Pentru a aprecia rezultatele echipei de cercetare, trebuie să înțelegem contextul acestei cercetări. Intercalarea este inserarea reversibilă a oaspeților (atomi sau molecule) în gazde (de exemplu, materiale stratificate 2D). Scopul intercalării este de obicei de a modifica proprietățile sau structura gazdei pentru a îmbunătăți performanța dispozitivului, așa cum se vede, de exemplu, în bateriile comerciale cu ioni de litiu.

Deși sunt disponibile multe metode sintetice pentru prepararea materialelor intercalate, cercetătorii nu au avut mijloace fiabile de a prezice combinațiile gazdă-oaspete sunt stabile. Prin urmare, a fost nevoie de multă muncă de laborator pentru a concepe noi materiale intercalate pentru a oferi funcționalități ale dispozitivelor de ultimă generație. Minimizarea acestei lucrări de laborator prin propunerea unui instrument predictiv simplu pentru stabilitatea gazdă-oaspete a fost scopul studiului echipei de cercetare.

„Suntem primii care dezvoltă instrumente predictive precise pentru energiile de intercalare gazdă-oaspete și stabilitatea compușilor intercalați”, explică Naoto Kawaguchi, autorul principal al studiului. „Analiza noastră, bazată pe o bază de date de 9.000 de compuși, folosește principii simple din chimia de licență din primul an.”

Un punct culminant al lucrării este că au fost necesari doar două proprietăți pentru oaspeți și opt descriptori derivați de la gazdă. pentru calculele de energie și stabilitate ale cercetătorilor. Cu alte cuvinte, „cele mai bune presupuneri” inițiale nu au fost necesare; doar fizica de bază a sistemelor gazdă-oaspete. Mai mult, cercetătorii și-au validat modelul față de aproape 200 de seturi de coeficienți de regresie.

„Suntem încântați pentru că formularea modelului nostru de regresie este simplă și rezonabilă din punct de vedere fizic”, spune Teruyasu Mizoguchi, autor principal. „Alte modele de calcul din literatura de specialitate nu au o bază fizică sau o validare împotriva compușilor intercalați necunoscuți.”

Această lucrare este un pas important înainte în reducerea la minimum a muncii laborioase de laborator care este de obicei necesară pentru a pregăti materialele intercalate. Având în vedere că multe dispozitive electronice și de stocare a energiei actuale și viitoare depind de astfel de materiale, timpul și cheltuielile necesare pentru cercetarea și dezvoltarea corespunzătoare vor fi minimizate. În consecință, produsele cu funcționalități avansate vor ajunge pe piață mai repede decât era posibil anterior.

(Fluierul)