Le batterie e le celle a combustibile spesso si basano su un processo noto come diffusione ionica per funzionare. Nella diffusione ionica, gli atomi ionizzati si muovono attraverso materiali solidi, simile al processo dell'acqua che viene assorbita dal riso durante la cottura. Proprio come cucinare il riso, la diffusione degli ioni è incredibilmente dipendente dalla temperatura e richiede che le alte temperature avvengano velocemente.

Questa dipendenza dalla temperatura può essere limitante, poiché i materiali utilizzati in alcuni sistemi come le celle a combustibile devono resistere a temperature elevate a volte superiori a 1, 000 gradi Celsius. In un nuovo studio, un team di ricercatori del MIT e dell'Università di Muenster in Germania ha mostrato un nuovo effetto, dove la diffusione ionica è migliorata mentre il materiale rimane freddo, eccitando solo un numero selezionato di vibrazioni note come fononi. Questo nuovo approccio, che il team chiama "catalisi fononica", potrebbe portare a un campo di ricerca completamente nuovo. Il loro lavoro è stato pubblicato in Cell Report Scienze fisiche .

Nello studio, il team di ricerca ha utilizzato un modello computazionale per determinare quali vibrazioni hanno effettivamente causato il movimento degli ioni durante la diffusione degli ioni. Invece di aumentare la temperatura dell'intero materiale, hanno aumentato la temperatura proprio di quelle vibrazioni specifiche in un processo che chiamano eccitazione fononica mirata.

"Abbiamo solo riscaldato le vibrazioni che contano, e così facendo siamo stati in grado di dimostrare che si poteva mantenere freddo il materiale, ma fallo comportare come se fosse molto caldo, "dice Asegun Henry, professore di ingegneria meccanica e coautore dello studio.

Questa capacità di mantenere i materiali freschi durante la diffusione ionica potrebbe avere un'ampia gamma di applicazioni. Nell'esempio delle celle a combustibile, se l'intera cella non ha bisogno di essere esposta a temperature estremamente elevate, gli ingegneri potrebbero utilizzare materiali più economici per costruirle. Ciò ridurrebbe il costo delle celle a combustibile e le aiuterebbe a durare più a lungo, risolvendo il problema della breve durata di molte celle a combustibile.

Il processo potrebbe avere implicazioni anche per le batterie agli ioni di litio.

"La scoperta di nuovi conduttori ionici è fondamentale per far progredire le batterie al litio, e le opportunità includono l'abilitazione all'uso del litio metallico, che può potenzialmente raddoppiare l'energia delle batterie agli ioni di litio. Sfortunatamente, manca la comprensione fondamentale della conduzione ionica, "aggiunge Yang Shao-Corno, W.M. Keck Professore di Energia e co-autore.

Questo nuovo lavoro si basa sulla sua precedente ricerca, in particolare il lavoro di Sokseiha Muy Ph.D. sui principi di progettazione dei conduttori ionici, che mostra l'abbassamento dell'energia fononica nelle strutture riduce la barriera per la diffusione ionica e potenzialmente aumenta la conduttività ionica. Kiarash Gordiz, un postdoc che lavora in collaborazione con il gruppo di simulazione atomica e di ricerca sull'energia di Henry e il laboratorio di energia elettrochimica di Shao-Horn, si chiedeva se potevano combinare la ricerca di Shao-Horn sulla conduzione ionica con la ricerca di Henry sul trasferimento di calore.

"Utilizzando il precedente lavoro del professor Shao-Horn sui conduttori ionici come punto di partenza, abbiamo deciso di determinare esattamente quali modi fononici contribuiscono alla diffusione ionica, "dice Gordiz.

Enrico, Gordiz, e il loro team ha utilizzato un modello per il fosfato di litio, che si trova spesso nelle batterie agli ioni di litio. Utilizzando un metodo di calcolo noto come analisi in modalità normale, insieme a calcoli di banda elastica spinti e simulazioni di dinamica molecolare, il gruppo di ricerca ha calcolato quantitativamente quanto ogni fonone contribuisce al processo di diffusione ionica nel fosfato di litio.

Armato di questa conoscenza, i ricercatori potrebbero utilizzare i laser per eccitare o riscaldare selettivamente fononi specifici, piuttosto che esporre l'intero materiale a temperature elevate. Questo metodo potrebbe aprire un nuovo mondo di possibilità.

L'alba di un nuovo campo

Henry crede che questo metodo potrebbe portare alla creazione di un nuovo campo di ricerca, uno che chiama "catalisi fononica". Mentre il nuovo lavoro si concentra specificamente sulla diffusione ionica, Henry vede applicazioni nelle reazioni chimiche, trasformazioni di fase, e altri fenomeni dipendenti dalla temperatura.

"Il nostro gruppo è affascinato dall'idea che tu possa essere in grado di catalizzare tutti i tipi di cose ora che abbiamo la tecnica per capire quali fononi contano, " dice Henry. "Tutte queste reazioni che di solito richiedono temperature estreme potrebbero ora avvenire a temperatura ambiente".

Henry e il suo team hanno iniziato a esplorare potenziali applicazioni per la catalisi fononica. Gordiz ha cercato di utilizzare il metodo per i conduttori superionici al litio, che potrebbe essere utilizzato nello stoccaggio di energia pulita. Il team sta anche valutando applicazioni come un superconduttore a temperatura ambiente e persino la creazione di diamanti, che richiedono pressioni e temperature estremamente elevate che potrebbero essere innescate a temperature molto più basse attraverso la catalisi fononica.

"Questa idea di eccitazione selettiva, concentrandosi solo sulle parti di cui hai bisogno piuttosto che su tutto, potrebbe essere un grande tipo di cambiamento di paradigma per il modo in cui operiamo le cose, "dice Henry. "Dobbiamo iniziare a pensare alla temperatura come uno spettro e non solo come un singolo numero".

I ricercatori hanno in programma di mostrare più esempi di eccitazione fononica mirata che funziona in materiali diversi. Andando avanti, sperano di dimostrare che il loro modello computazionale funziona sperimentalmente in questi materiali.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.