(PhysOrg.com) -- Quando si sintetizzano materiali specializzati per batterie ad alto contenuto energetico, il problema è il modello. Il modello per l'autoassemblaggio delle tanto desiderate sfere di dimensioni nanometriche cade a pezzi, producendo grumi irregolari di ossido di metallo. Gli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory hanno determinato come mantenere intatto il modello. La risposta è semplice come aggiungere sale al processo.

I veicoli elettrici e la rete elettrica della nazione trarrebbero entrambi beneficio da un'elevata densità di energia, batterie a lunga durata. I veicoli elettrici potrebbero percorrere distanze maggiori tra le cariche. La rete elettrica potrebbe attingere all'energia eolica e solare immagazzinata. Tali batterie richiedono nuovi materiali con caratteristiche nanometriche specifiche. Sfortunatamente, progettare questi materiali è stato un processo di tentativi ed errori. Gli scienziati preferirebbero progettare modelli, mescolare i reagenti, e lasciare che i materiali si assemblano da soli. Il problema è che i modelli non durano. Con le risposte di questo studio, gli scienziati possono produrre particelle identiche che vengono poi assemblate negli elettrodi della batteria.

"Questa ricerca fornisce risposte fondamentali necessarie per produrre prodotti di alta qualità, materiali ben definiti che funzioneranno come elettrodi nelle batterie agli ioni di litio e nelle batterie litio-aria di prossima generazione, " ha detto la dottoressa Maria Sushko, uno scienziato dei materiali del PNNL che ha lavorato allo studio con il dott. Jun Liu.

Basandosi sulla ricerca sperimentale, i ricercatori del PNNL hanno condotto un'analisi teorica sulla stabilità del modello per l'autoassemblaggio di biossido di titanio e altre nanoparticelle di ossido metallico. L'analisi era una classica teoria del funzionale della densità, o CDFT, studio.

Il team ha esaminato il modello, che si compone di due parti. Primo, la base è uno strato di ben definito, grafene conduttivo. La seconda parte è un tensioattivo. Il tensioattivo è una molecola definita dalla sua chimica "testa" e "coda". La testa della molecola è idrofoba o "che teme l'acqua" e si attacca al grafene. La coda è idrofila e interagisce con la soluzione contenente gli ingredienti per formare le particelle di ossido metallico desiderate. Il tensioattivo forma piccoli cumuli sul grafene che fungono da modello per la formazione delle nanoparticelle.

"Ma a meno che i tensioattivi non formino una struttura stabile, tutto ciò che stai costruendo cade a pezzi, " disse Sushko.

Gli scienziati hanno scoperto che la chiave per la stabilità del modello era l'introduzione di un sale, cationi specificamente caricati doppiamente e anioni caricati singolarmente, nella miscela. Quindi, il team ha utilizzato questo risultato per prevedere come crescono le nanoparticelle di biossido di titanio sul modello. Hanno scoperto che le particelle crescono tra gli avvallamenti negli stampi emicilindrici. Però, se le particelle superano le fessure, il modello cambia da cumuli in un liscio, superficie simile all'erba. Quindi, le particelle crescono in modo incoerente, fondendosi in ammassi più grandi.

"Se usiamo i risultati di questo documento [pubblicato nel Journal of Physical Chemistry B ], possiamo far crescere nanoparticelle nella materia confinata per creare più grandi, nanoparticelle di ossidi metallici di dimensioni uniformi, come il biossido di titanio, che è molto importante per creare i materiali necessari per gli elettrodi per le batterie, " disse Sushko.

Cosa c'è dopo:il team sta lavorando a uno studio basato su esperimenti per sviluppare una conoscenza approfondita dei processi di autoassemblaggio e nucleazione coinvolti nella costruzione di materiali nanocompositi. Questo studio imminente e altri simili sono necessari per svelare i misteri dell'autoassemblaggio e consentire agli scienziati di controllare la sintesi dei materiali.