I ricercatori dell'Università di Tohoku hanno svelato un nuovo mezzo per prevedere come sintetizzare nuovi materiali tramite lo scambio ionico. Basato su simulazioni al computer, il metodo riduce significativamente il tempo e l'energia necessari per esplorare i materiali inorganici.
I dettagli della loro ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Chemistry of Materials il 17 aprile 2024.
Nella ricerca per formare nuovi materiali che facilitino tecnologie energetiche efficienti e rispettose dell'ambiente, gli scienziati si affidano regolarmente al metodo di reazione ad alta temperatura per sintetizzare materiali inorganici. Quando le sostanze grezze vengono miscelate e riscaldate a temperature molto elevate, vengono divise in atomi e poi riassemblate in nuove sostanze. Ma questo approccio presenta alcuni inconvenienti. Si possono formare solo materiali con la struttura cristallina più stabile dal punto di vista energetico e non è possibile sintetizzare materiali che si decomporrebbero ad alte temperature.
Al contrario, il metodo dello scambio ionico forma nuovi materiali a temperature relativamente basse. Gli ioni di materiali esistenti vengono scambiati con ioni di carica simile di altri materiali, formando così nuove sostanze inorganiche. La bassa temperatura di sintesi consente di ottenere composti che non sarebbero disponibili con il consueto metodo di reazione ad alta temperatura.
Nonostante il suo potenziale, tuttavia, la mancanza di un approccio sistematico alla previsione delle combinazioni di materiali appropriate per lo scambio ionico ne ha ostacolato l'adozione diffusa, rendendo necessari laboriosi esperimenti per tentativi ed errori.
"Nel nostro studio, abbiamo previsto la fattibilità di materiali adatti allo scambio ionico utilizzando simulazioni al computer", afferma Issei Suzuki, professore assistente senior presso l'Istituto di ricerca multidisciplinare per i materiali avanzati dell'Università di Tohoku e coautore dell'articolo.
Le simulazioni prevedevano lo studio del potenziale di reazioni di scambio ionico tra ossidi ternari di tipo wurtzite e alogenuri/nitrati. Nello specifico, Suzuki e i suoi colleghi hanno eseguito simulazioni su 42 combinazioni di β-M I GaO2 , M I =Na, Li, Cu, Ag come precursori e alogenuri e nitrati come fonti di ioni.
I risultati della simulazione sono stati divisi in tre categorie:"si verifica uno scambio ionico", "non si verifica alcuno scambio ionico" e "si verifica uno scambio ionico parziale (si forma una soluzione solida). Per confermare i risultati, i ricercatori hanno verificato la simulazione attraverso esperimenti reali, confermando un accordo tra simulazione ed esperimenti in tutte le 42 combinazioni.
Suzuki ritiene che il loro progresso accelererà lo sviluppo di nuovi materiali adatti a tecnologie energetiche migliorate. "I nostri risultati hanno dimostrato che è possibile prevedere se lo scambio ionico è fattibile e progettare reazioni in anticipo senza tentativi ed errori sperimentali. In futuro, prevediamo di utilizzare questo metodo per cercare materiali con proprietà nuove e attraenti che affronteranno problemi energetici."
Ulteriori informazioni: Issei Suzuki et al, Progettazione di reazioni di scambio ionico topotattico negli ossidi allo stato solido attraverso calcoli di principi primi, Chimica dei materiali (2024). DOI:10.1021/acs.chemmater.3c03016
Informazioni sul giornale: Chimica dei materiali
Fornito dall'Università di Tohoku
