Come isolanti, gli ossidi metallici, noti anche come ceramiche, potrebbero non sembrare candidati ovvi per la conduttività elettrica. Mentre gli elettroni sfrecciano avanti e indietro nei metalli normali, il loro movimento nei materiali ceramici è lento e difficile da rilevare.

Una collaborazione interdisciplinare guidata da Richard Robinson ha aggiornato il "modello a salto di polaroni piccoli" per riflettere diversi percorsi di conduzione nella ceramica. Il loro lavoro aiuterà i ricercatori che stanno adattando su misura le proprietà degli ossidi metallici in tecnologie come le batterie agli ioni di litio, celle a combustibile ed elettrocatalisi.

Ma la ceramica contiene una vasta gamma di conduttività. Questo comportamento è stato delineato nel 1961 nel "modello a salto di polaroni piccoli, " che descriveva il movimento dei polaroni, essenzialmente elettroni accoppiati a una distorsione reticolare, da un'estremità all'altra di un materiale.

Una collaborazione interdisciplinare guidata da Richard Robinson, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali presso il College of Engineering, ha mostrato quanto sia obsoleto e impreciso quel modello, soprattutto per quanto riguarda i sistemi di ossido complessi. Aggiornando il modello per riflettere diversi percorsi di conduzione, il team spera che il suo lavoro aiuterà i ricercatori che stanno adattando su misura le proprietà degli ossidi metallici in tecnologie come le batterie agli ioni di litio, celle a combustibile ed elettrocatalisi.

La loro carta, "Ripartizione del modello a salto di polaron piccolo negli spinelli di ordine superiore, " pubblicato il 21 ottobre in Materiale avanzato . L'autore principale è il dottorando Anuj Bhargava.

"Questa è la formula più comunemente usata nel campo, ma non era stato toccato in 60 anni. Questo è un grosso problema perché, al giorno d'oggi, gli ossidi metallici sono utilizzati in molte applicazioni in cui le prestazioni sono direttamente influenzate dalla conduttività, ad esempio, nei sistemi energetici come lo stoccaggio e la generazione di energia elettrica, elettrocatalisi, e in materiali di nuova generazione, " ha detto Robinson. "Molte persone stanno mettendo una grande quantità di sforzi sperimentali negli ossidi in questo momento, ma non hanno esaminato attentamente come si muovono i portatori di carica nel materiale, e come la composizione influenza tale conduttività.

Collaborazione radicale

"Se capissimo come vengono condotti gli elettroni e potessimo personalizzare la composizione per avere la massima conduttività, potremmo ottimizzare l'efficienza energetica di molti materiali là fuori, " Egli ha detto.

Per avere uno sguardo dettagliato sul modo in cui gli elettroni si muovono negli ossidi metallici e su come i loro siti di occupazione possono influenzare la conduttività del materiale, Robinson si rivolse a Darrell Schlom, l'Herbert Fisk Johnson Professore di Chimica Industriale. Schlom e il suo team hanno utilizzato la piattaforma per la realizzazione accelerata, Analisi, e Discovery of Interface Materials (PARADIM) e Cornell NanoScale Science and Technology Facility (CNF) per far crescere e caratterizzare sottili film cristallini di ossido di ferro drogato con manganese (MnxFe3-xO4).

Il gruppo di Robinson ha quindi utilizzato la Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) per determinare le posizioni atomiche e lo stato di carica degli ioni caricati positivamente, chiamati cationi, e misurato come cambia la conduttività del materiale a diverse temperature.

Hanno portato il materiale a Lena Kourkoutis, professore associato di fisica applicata e ingegneristica, che ha utilizzato la microscopia elettronica avanzata per ottenere una visione atomicamente precisa del substrato del cristallo e dei gradienti compositivi, e ha confermato i risultati della squadra.

Infine, Il team di Robinson ha consultato i ricercatori del Technion-Israel Institute of Technology, che hanno utilizzato metodi computazionali per spiegare come i polaroni saltino in modo diverso nei materiali in base alle barriere energetiche e agli stati di ossidazione. I loro risultati hanno scoperto l'esistenza di grandi barriere energetiche associate a percorsi di conduzione "commutanti" tra i due diversi cationi, e questo ha fornito il pezzo finale cruciale che era necessario per mettere insieme una nuova formula.

"Questa nuova scoperta ci dà un'idea di qualcosa che è stato trascurato. Invece dell'edisoniano, approccio per tentativi ed errori di creare e testare un mucchio di nuovi materiali, ora possiamo adottare un approccio più sistematico per capire perché i materiali si comportano in modo diverso, soprattutto a questo livello davvero importante, che è la conduttività elettronica, " ha detto Robinson. "I processi importanti nei materiali energetici coinvolgono la conduttività, elettroni che entrano ed escono dal materiale. Quindi per qualsiasi applicazione con ossidi metallici, la conducibilità è importante."