Dalle batterie agli ioni di litio ai superconduttori di prossima generazione, la funzionalità di molte tecnologie moderne e avanzate dipende dalla proprietà fisica nota come intercalazione. Sfortunatamente, è difficile identificare in anticipo quali dei tanti possibili materiali intercalati siano stabili, il che richiede molto lavoro di laboratorio per tentativi ed errori nello sviluppo del prodotto.
Ora, in uno studio recentemente pubblicato su ACS Physical Chemistry Au , i ricercatori dell'Istituto di scienza industriale dell'Università di Tokyo e i partner che hanno collaborato hanno ideato un'equazione semplice che prevede correttamente la stabilità dei materiali intercalati. Le linee guida di progettazione sistematica consentite da questo lavoro accelereranno lo sviluppo dei prossimi dispositivi elettronici e di stoccaggio dell'energia ad alte prestazioni.
Per apprezzare i risultati del gruppo di ricerca, dobbiamo comprendere il contesto di questa ricerca. L'intercalazione è l'inserimento reversibile di ospiti (atomi o molecole) negli ospiti (ad esempio, materiali a strati 2D). Lo scopo dell'intercalazione è comunemente quello di modificare le proprietà o la struttura dell'host per migliorare le prestazioni del dispositivo, come si vede, ad esempio, nelle batterie commerciali agli ioni di litio.
Sebbene siano disponibili molti metodi sintetici per preparare materiali intercalati, i ricercatori non dispongono di mezzi affidabili per prevedere quali combinazioni ospite-ospite siano stabili. Pertanto, è stato necessario molto lavoro di laboratorio per ideare nuovi materiali intercalati per impartire funzionalità ai dispositivi di prossima generazione. L'obiettivo dello studio del team di ricerca era ridurre al minimo questo lavoro di laboratorio proponendo uno strumento predittivo semplice per la stabilità host-ospite.
"Siamo i primi a sviluppare strumenti predittivi accurati per le energie di intercalazione ospite-ospite e la stabilità dei composti intercalati", spiega Naoto Kawaguchi, autore principale dello studio. "La nostra analisi, basata su un database di 9.000 composti, utilizza i principi semplici della chimica del primo anno di laurea."
Un aspetto particolarmente interessante del lavoro è che per i calcoli dei ricercatori sull'energia e sulla stabilità erano necessari solo due proprietà dell'ospite e otto descrittori derivati dall'ospite. In altre parole, le "migliori ipotesi" iniziali non erano necessarie; solo la fisica sottostante dei sistemi host-ospite. Inoltre, i ricercatori hanno convalidato il loro modello rispetto a quasi 200 serie di coefficienti di regressione.
"Siamo entusiasti perché la formulazione del nostro modello di regressione è semplice e fisicamente ragionevole", afferma Teruyasu Mizoguchi, autore senior. "Altri modelli computazionali in letteratura mancano di basi fisiche o di validazione rispetto a composti intercalati sconosciuti."
Questo lavoro rappresenta un importante passo avanti nel ridurre al minimo il laborioso lavoro di laboratorio normalmente richiesto per preparare i materiali intercalati. Dato che molti dispositivi elettronici e di stoccaggio dell’energia attuali e futuri dipendono da tali materiali, il tempo e le spese necessarie per la ricerca e lo sviluppo corrispondenti saranno ridotti al minimo. Di conseguenza, i prodotti con funzionalità avanzate raggiungeranno il mercato più velocemente di quanto fosse possibile in precedenza.
Ulteriori informazioni: Naoto Kawaguchi et al, Svelare la stabilità dei composti intercalanti stratificati attraverso calcoli di principi primi:stabilire una relazione lineare di energia libera con ioni acquosi, ACS Physical Chemistry Au (2024). DOI:10.1021/acsphyschemau.3c00063
Fornito dall'Università di Tokyo
