Scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), in collaborazione con ricercatori della Purdue University e della Rutgers University, hanno unito la scienza dei materiali e la fisica della materia condensata in uno studio su un promettente materiale solido che conduce ioni di litio.

Il trasporto di ioni, o atomi carichi, attraverso i materiali svolge un ruolo cruciale in molti sistemi elettrici, dalle batterie al cervello. Attualmente, i principali materiali conduttori di ioni sono liquidi e organici, ma lo sviluppo di conduttori ionici solidi e inorganici potrebbe avere ampie applicazioni nella conversione dell'energia, bioingegneria ed elaborazione delle informazioni.

In questo studio, samario nichelato, un materiale che è anche un solido, ha dimostrato di trasportare rapidamente ioni di litio in determinate condizioni. Lo studio è stato pubblicato su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Lo studio ha riportato che per il nichelato di samario, i fenomeni quantistici in gioco all'interno della sua struttura molecolare influenzano le proprietà del materiale su scala più ampia, e le sue caratteristiche strutturali insolite possono produrre proprietà elettroniche favorevoli.

In uno studio precedente, gli scienziati hanno scoperto che piccoli ioni, come protoni, potrebbe muoversi molto rapidamente attraverso il materiale nichelato di samario. "Poi abbiamo chiesto cosa sarebbe successo se avessimo inserito ioni leggermente più grandi, come il litio, nel materiale, " disse Shriram Ramanathan, co-autore dello studio e professore di ingegneria dei materiali alla Purdue University.

Gli ioni di litio svolgono un ruolo importante nel mondo delle batterie:molte batterie oggi in uso si affidano al trasporto di ioni di litio attraverso un materiale elettrolitico per facilitare il flusso di corrente elettrica.

"Poiché il nichelato di samario può facilmente trasportare gli ioni di litio attraverso il suo reticolo a temperatura ambiente, ha il potenziale per essere utilizzato come elettrolita a stato solido in una batteria, " disse Hua Zhou, un fisico Argonne. "Questo rientra nella stessa categoria dei migliori conduttori solidi agli ioni di litio che abbiamo visto".

Non solo il nichelato di samario trasporta rapidamente il litio, mostra anche un livello di resistenza elettrica che è desiderabile nei materiali elettrolitici. Da solo, il nichelato di samario si comporta come un metallo, permettendo agli elettroni di passare liberamente attraverso il suo reticolo cristallino. Però, quando gli scienziati inseriscono ioni di litio nel materiale, la capacità di passaggio degli elettroni liberi è ridotta di otto ordini di grandezza. Questa resistenza permette al materiale di evitare problemi che spesso affliggono altri elettroliti liquidi comunemente impiegati, come perdite di energia inutili e cortocircuiti.

"Abbiamo identificato un materiale che ha proprietà isolanti migliori degli elettroliti liquidi come i carbonati alchilici, che sono comunemente usati nelle batterie attuali, e conducibilità ionica rara per un solido, " disse il subramaniano Sankaranarayanan, scienziato presso il Center for Nanoscale Materials di Argonne.

"È un risultato piuttosto controintuitivo che l'aggiunta di elettroni al sistema rende il nichelato più isolante, ", ha affermato il ricercatore della Rutgers University Michele Kotiuga.

Kotiuga ha eseguito i primi calcoli per determinare come cambia la struttura elettronica del materiale quando viene introdotta nel litio.

Con questi calcoli in mano, il team ha quindi utilizzato le funzionalità offerte dalla suite esclusiva di Argonne di DOE Office of Science User Facilities:Advanced Photon Source (APS), l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) e il Center for Nanoscale Materials (CNM) per ottenere una descrizione più dettagliata dei meccanismi che causano il comportamento. Il team ha anche utilizzato la National Synchrotron Light Source-II, un DOE Office of Science User Facility presso il Brookhaven National Laboratory.

L'APS ha sondato il nichelato di samario utilizzando raggi X ad alta intensità mentre gli scienziati aggiungevano gradualmente il litio. In tempo reale, gli scienziati hanno osservato come la struttura elettronica e il legame chimico si sono evoluti fino alla scala della lunghezza atomica.

Gli scienziati hanno anche utilizzato l'ALCF e il carbonio, un cluster di calcolo ad alte prestazioni presso CNM, simulare il moto ionico nel reticolo.

"I supercomputer stanno diventando sempre più parte integrante della progettazione e della scoperta dei materiali, " ha dichiarato il direttore scientifico dell'ALCF Katherine Riley. "Con i nostri sistemi di classe dirigente, i ricercatori possono esplorare i materiali a un livello di dettaglio senza precedenti, fornendo approfondimenti che possono essere infine utilizzati per personalizzare nuovi materiali per applicazioni mirate".

Usando il supercomputer Mira dell'ALCF, il team ha modellato la dinamica del sistema per prevedere quali percorsi potrebbero seguire gli ioni di litio attraverso il nichelato.

"Il calcolo dei percorsi è stato un importante complemento al resto della ricerca perché aiuta a spiegare il comportamento che abbiamo osservato, " ha detto Sankaranarayanan. "Possiamo usare questa conoscenza per ricreare e controllare questi effetti in altri materiali."

Gli scienziati hanno in programma di studiare altri materiali che potrebbero mostrare proprietà simili per identificare altri ioni che il nichelato di samario può condurre.