In un nuovo studio, i ricercatori del Nagoya Institute of Technology, in Giappone, utilizzano una combinazione di approcci sperimentali e teorici per comprendere le proprietà ottiche, elettroniche e magnetiche di solidi complessi di composti di perovskite a strati, fornendo preziose informazioni. L'approccio è estensibile a un'ampia gamma di composti ceramici cristallini funzionalizzati. Credito:Ryohei Oka del Nagoya Institute of Technology, Giappone
Le aree urbane senza una copertura arborea sufficiente sono significativamente più calde di quelle circostanti. Questo effetto "isola di calore urbana" deriva principalmente da un assorbimento della radiazione del vicino infrarosso (NIR) nella luce solare. I pigmenti riflettenti NIR che possono mitigare tali effetti di riscaldamento sono, quindi, altamente desiderabili.
In particolare, i pigmenti inorganici funzionali sono un candidato interessante su questo fronte. Infatti, il Dr. Ryohei Oka e il suo collega del Nagoya Institute of Technology, in Giappone, hanno dimostrato che composti ceramici di perovskite stratificati del tipo A2 BO4 sono ideali per riflettere NIR. Nel suo studio precedente, è stato scoperto che nuove perovskiti come l'ossido di manganese di calcio con aggiunta di titanio (Ca2 (Mn,Ti)O4 ) la ceramica riflette molto meglio la radiazione NIR rispetto ai pigmenti neri disponibili in commercio. Tuttavia, il meccanismo con cui Ca2 (Mn,Ti)O4 raggiunge questa straordinaria impresa rimane sconosciuto.
In un recente studio pubblicato su Chimica inorganica , il Dr. Oka e il suo collega, il Dr. Tomokatsu Hayakawa, hanno analizzato la struttura e la composizione del Ca2 (Mn,Ti)O4 utilizzando una combinazione di tecniche teoriche e sperimentali standard per studiare i fattori che contribuiscono alla sua maggiore riflettività NIR. Questo documento è stato reso disponibile online il 19 aprile 2022 e pubblicato nel volume 61 numero 17 della rivista il 2 maggio 2022.
Nel loro lavoro, il duo ha utilizzato la diffrazione dei raggi X (XRD) e la spettroscopia Raman in combinazione con un metodo computazionale chiamato "teoria del funzionale della densità" (DFT) per estrarre con successo i dettagli mancanti sulla struttura cristallina e gli stati elettronici di Ca2 (Mn,Ti)O4 . "Finora pochi studi hanno condotto la spettroscopia Raman di Ca2 (Mn,Ti)O4 . Inoltre, non hanno fornito alcun dettaglio dei suoi modi vibrazionali. Tuttavia, le informazioni sui suoi stati elettronici e sulle modalità vibrazionali sono fondamentali per capire come queste perovskiti si rivelano così grandi riflettori NIR", afferma il dottor Oka, spiegando la motivazione alla base del loro approccio.
Il duo ha analizzato la struttura cristallina dell'ossido di calcio manganese (Ca2 MnO4 ) e ha monitorato i cambiamenti strutturali avvenuti con l'aggiunta di impurità di Ti. Inoltre, hanno identificato come i legami chimici all'interno della perovskite vengono modificati dopo l'introduzione di impurità di Ti. Hanno scoperto che, rispetto a Ca2 MnO4 , Ca2 (Mn,Ti)O4 ha mostrato un picco Raman aggiuntivo che era probabilmente dovuto all'attivazione di una "modalità silenziosa" causata dalle impurità di Ti. Tuttavia, i modelli XRD di Ca2 MnO4 e Ca2 (Mn,Ti)O4 erano identici. Il duo ha attribuito questo alla correlazione Ti-Ti a una certa distanza.
Un altro punto culminante del loro studio è stato lo straordinario accordo tra i risultati computazionali di DFT e i dati sperimentali. I gap energetici ottenuti dai tre modelli per Ca2 (Mn,Ti)O4 utilizzati dal duo nei loro calcoli concordati tra loro così come il valore sperimentale. Inoltre, il risultato era indipendente dalla sostituzione del Ti o dalla sua posizione nel cristallo. Inoltre, i calcoli hanno rivelato che la riflettività NIR migliorata dopo l'aggiunta di ioni Ti risultava da un abbassamento della "densità degli stati" (il numero di stati elettronici per unità di volume per unità di energia) vicino al livello di Fermi (il livello di energia più alto che un elettrone può occupare a temperatura zero assoluta).
Questi risultati ci portano un passo avanti verso lo svelamento della proprietà di schermatura termica della ceramica perovskite. La perfetta combinazione di approcci sperimentali e teorici sviluppati in questo studio fornisce una ricetta generale per comprendere la struttura e le proprietà non solo di A2 BO4 tipo ceramiche ma una gamma di complesse ceramiche perovskite. Come afferma il Dr. Oka, "Questo approccio combinatorio è applicabile a un'ampia gamma di ceramiche cristalline funzionalizzate per comprendere le loro proprietà ottiche, elettroniche e magnetiche in un modo molto migliore con modelli strutturali più affidabili ottenuti computazionalmente".
In effetti, la comprensione dettagliata del meccanismo di riflessione NIR potenziato sarebbe estremamente vantaggiosa poiché i pigmenti inorganici trovano più applicazione come rivestimenti termici superiori per gli edifici urbani. + Esplora ulteriormente
