In questa immagine, i diversi colori rappresentano l'orientamento cristallografico dei grani di dimensioni micrometriche che compongono un materiale chiamato Zirconia stabilizzata all'ittria, utilizzato nelle celle a combustibile e in altre applicazioni energetiche. La sfumatura grigia rappresenta il "disordine strutturale del confine del grano, ” estensione e la tonalità acqua e blu rappresenta le regioni disordinate. Il rosso rappresenta la carica negativa, e il blu rappresenta la carica negativa. Credito:immagine della Purdue University/Vikrant Karra e Edwin García
Una nuova teoria potrebbe consentire ai ricercatori e all'industria di mettere a punto e migliorare le prestazioni di un materiale chiamato ceramica ionica nelle batterie ricaricabili, celle a combustibile e altre applicazioni energetiche.
Le ceramiche ioniche sono costituite da molti "grani" sfaccettati che si incontrano ai confini in modi che influenzano, Per esempio, quanta energia può fornire una cella a combustibile o quanto velocemente una batteria può essere ricaricata e per quanto tempo può mantenere la carica.
"Il mio cellulare ha un importo (fisso) di carica, e quei bordi di grano sono un fattore limitante, " a quanto di quell'accusa è davvero utile disse Edwin García, professore di ingegneria dei materiali alla Purdue University.
Una sfida nel perfezionare le tecnologie che utilizzano la ceramica ionica è superare gli effetti isolanti dei bordi dei grani (interfacce tra i grani), che subiscono "transizioni di fase" (cambiamenti strutturali ed elettrochimici), influenzando così le proprietà del materiale.
"E' un problema che esiste nel campo della ceramica da 40 anni, " ha detto. Tuttavia, non è stato fino a questi ultimi 10 anni quando gli scienziati si sono resi conto che le interfacce (materiali 2-D), proprio come le fasi bulk (materiali 3-D) possono subire transizioni di fase.
Lavorando con Garcia, studente di dottorato Suryanarayana Karra Vikrant ha condotto la ricerca per sviluppare la nuova teoria, che descrive ciò che accade all'interfaccia tra i piccoli grani. Il lavoro estende la ricerca pionieristica di John Cahn per il metallo, che è stato insignito della National Medal of Science nel 1998 ed è stato ricercatore presso il Massachusetts Institute of Technology e il National Institute of Standards and Technology.
"La teoria mostra che queste interfacce stanno subendo transizioni di fase, che non era stato [identificato come tale] prima, " disse Garcia.
Le transizioni di fase 2-D possono includere cambiamenti di carica, voltaggio, e strutturale "disordine, " che influenza le proprietà del materiale su una scala di 10 nm, ma incidendo sulle prestazioni, proprietà, e degrado alla macroscala.
La teoria è stata convalidata utilizzando zirconia stabilizzata con ittrio, o YSZ, un materiale in applicazioni di celle a combustibile ad ossido solido. I risultati sono dettagliati in un documento di ricerca che appare mercoledì (20 febbraio) nel Natura rivista Materiali di calcolo .
Vikrant Karra, uno studente di Purdue ha creato un diagramma di fase che mostra come i bordi dei grani subiscono transizioni.
"Dal punto di vista della scienza di base, questo lavoro è molto bello, ma è anche rilevante per le applicazioni energetiche, " disse Garcia.
Per esempio, Egli ha detto, essere in grado di progettare meglio le ceramiche di interfaccia potrebbe portare a celle a combustibile e batterie che mantengono una carica più a lungo e possono essere caricate più velocemente di quanto ora possibile. Questo perché le transizioni di fase interfacciali possono far sì che i bordi dei grani diventino isolanti, interferire con le prestazioni di una batteria.
"Così, questa teoria è un primo passo nella messa a punto di queste ceramiche [fasi 2-D alla rinfusa], " Egli ha detto.
La teoria si applica non solo a YSZ, ma anche ad altre ceramiche che potrebbero portare batterie a stato solido, o batterie che non contengono elettrolita liquido, un progresso che offre diversi potenziali vantaggi rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio. Sarebbero più leggeri e sicuri per i veicoli elettrici, eliminando il pericolo di perdite o di elettrolita infiammabile durante gli incidenti.
I risultati hanno anche implicazioni per la progettazione di ceramiche per applicazioni ferroelettriche e piezotroniche, che sono destinati alle memorie del computer, tecnologie energetiche e sensori che misurano le sollecitazioni nei materiali. I progetti avanzati potrebbero ridurre il consumo di energia in queste applicazioni.
La ricerca futura include lavori per dimostrare la teoria con risultati sperimentali nelle batterie e per conoscere il comportamento dinamico delle interfacce dei grani.
