Piatto è negli occhi di chi guarda. Quando si parla di nanomateriali, però, quell'occhio è praticamente inutile a meno che non guardi attraverso un microscopio elettronico o una visualizzazione al computer. Eppure le fosse e le creste su una superficie apparentemente piatta - così piccole da essere invisibili senza tali strumenti - possono conferire al materiale capacità sorprendenti. Il trucco per i ricercatori interessati a sfruttare queste capacità sta nel comprendere e, infine, prevedere come la topografia microscopica di una superficie può tradursi in tecnologie trasformative.

Yury Gogotsi e colleghi della Drexel University di recente avevano bisogno di una vista dall'alto di un promettente materiale per supercondensatori per risolvere i risultati sperimentali che erano eccitanti ma sembravano illogici. Questa visione è stata fornita da un gruppo di ricerca guidato dai chimici computazionali dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) Bobby Sumpter e Jingsong Huang e dal fisico computazionale Vincent Meunier.

Il team di Gogotsi ha scoperto che è possibile aumentare drasticamente l'energia immagazzinata in un supercondensatore di carbonio riducendo i pori del materiale a una dimensione apparentemente impossibile, apparentemente impossibile perché i pori erano più piccoli dei portatori di carica elettrica ricoperti di solvente che avrebbero dovuto adattarsi al loro interno. Il team ha pubblicato i suoi risultati sulla rivista Scienza .

Il mistero non era semplicemente accademico. I condensatori sono una tecnologia importante che fornisce energia trattenendo una carica elettrica. Hanno diversi vantaggi rispetto alle batterie tradizionali:si caricano e scaricano quasi istantaneamente e si ricaricano più e più volte, quasi indefinitamente, senza logorarsi, ma hanno anche degli svantaggi, soprattutto, trattengono molta meno energia.

Un condensatore elettrico a doppio strato, o supercondensatore, rappresenta un progresso nella tecnologia che consente una densità energetica molto maggiore. Mentre nei condensatori tradizionali due armature metalliche sono separate da un materiale non conduttore noto come dielettrico, in un supercondensatore un elettrolita è in grado di formare un doppio strato elettrico con materiali elettrodici che hanno aree superficiali molto elevate.

Come tale, i supercondensatori sono in grado di ottenere lo stesso effetto all'interno di un singolo materiale, poiché le proprietà del materiale lo dividono in strati separati con un sottilissimo, confine non conduttivo. Poiché possono rinunciare a un ingombrante strato dielettrico e utilizzare i pori su scala nanometrica del carbonio, i supercondensatori sono in grado di immagazzinare molta più energia rispetto alle loro controparti tradizionali in un dato volume. Questa tecnologia potrebbe contribuire ad aumentare il valore delle fonti energetiche pulite, ma sporadico, dosare l'energia immagazzinata durante i periodi di inattività come la notte per una cella solare o le giornate calme per una turbina eolica.

Quindi la scoperta di Gogotsi è stata potenzialmente rivoluzionaria. L'energia è stata immagazzinata sotto forma di ioni all'interno di un elettrolita, con gli ioni circondati da gusci di molecole di solvente e impaccati sulle superfici di carboni nanoporosi. I ricercatori sono stati in grado di controllare la dimensione dei pori nel materiale di carbonio, rendendoli da 0,7 a 2,7 nanometri. Quello che hanno scoperto è che l'energia immagazzinata nel materiale è aumentata drasticamente quando i pori sono diventati più piccoli di un nanometro, anche se gli ioni nei loro gusci di solvatazione non potevano stare in spazi così piccoli.

"Era un mistero, " Ha detto Sumpter. "Molte persone hanno messo in dubbio il risultato al momento. Eppure i dati sperimentali mostravano un incredibile aumento della capacità".

Fortunatamente, era un mistero che il team dell'ORNL poteva svelare.

"Pensavamo che questo fosse un caso perfetto per la modellazione computazionale perché potevamo certamente simulare pori di dimensioni nanometriche, " Ha detto Sumpter. "Avevamo capacità di struttura elettronica che potevano trattarlo bene, quindi è stato un ottimo problema da esplorare per noi."

Utilizzando i supercomputer Jaguar ed Eugene di ORNL, Sumpter e il suo team sono stati in grado di esaminare su scala nanometrica l'interazione tra lo ione e la superficie del carbonio. Una tecnica computazionale nota come teoria del funzionale della densità ha permesso loro di dimostrare che il fenomeno osservato da Gogotsi era tutt'altro che impossibile. Infatti, hanno scoperto che lo ione fuoriesce abbastanza facilmente dal suo guscio di solvatazione e si inserisce nel poro su scala nanometrica.

"Fa in modo che si desolva nella massa per entrare perché c'è il potenziale elettrostatico e le forze di van der Waals che lo tirano dentro, " Ha spiegato Sumpter. "Ci sono un sacco di forze diverse coinvolte, ma in effetti è molto facile che entri."

Il team ORNL e i colleghi della Clemson University, Università Drexel, e Georgia Tech hanno dettagliato le loro scoperte in una serie di pubblicazioni, Compreso Angewandte Chemie , Chemistry-Una rivista europea , ACS Nano , Giornale di Fisica Chimica C , Chimica Fisica Fisica Chimica , Giornale di ricerca sui materiali , e Nano Lettere .

"Inoltre, "Supper ha notato, "Le microscopiche protuberanze e avvallamenti su una piastra di carbonio fanno una differenza drammatica nella quantità di energia che può essere immagazzinata su o in essa.

"Quando si arriva alla nanoscala, la superficie è enorme, e la curvatura, sia concavo che convesso, può essere molto grande. Questo fa una grande differenza nella capacità. Abbiamo derivato un modello che spiegava tutti i dati sperimentali. Puoi estrarre i pezzi del modello dai calcoli della struttura elettronica, e da quel modello è possibile prevedere la capacità per diversi tipi di forme curve e dimensioni dei pori".

Per esempio, Egli ha detto, i calcoli hanno mostrato che gli ioni portatori di carica vengono immagazzinati non solo scivolando nei pori ma anche attaccandosi a cumuli nel materiale.

"È una curvatura positiva invece di una curvatura negativa, "Supper ha detto, "e possono immagazzinare e rilasciare energia ancora più velocemente. Quindi puoi immagazzinare ioni all'interno di un foro o puoi immagazzinare ioni all'esterno."

Utilizzando queste e altre intuizioni ottenute attraverso la simulazione del supercomputer, il team ORNL ha collaborato con i colleghi della Rice University per sviluppare un supercondensatore funzionante che utilizza fogli di materiali di carbonio dello spessore di un atomo.

"Utilizza il grafene su un substrato e un elettrolita polimero-gel, "Supper ha spiegato, "in modo da produrre un dispositivo completamente trasparente e flessibile. Puoi avvolgerlo intorno al dito, ma è pur sempre un dispositivo di accumulo di energia. Quindi siamo passati dalla modellazione degli elettroni alla creazione di un dispositivo funzionale che puoi tenere in mano".