Un materiale con strati d'acqua atomicamente sottili è promettente per le tecnologie di accumulo di energia, e i ricercatori hanno ora scoperto che l'acqua sta svolgendo un ruolo diverso da quello che chiunque si aspettava. La scoperta è stata possibile grazie a un nuovo metodo di microscopia a forza atomica (AFM) che misura il tasso di deformazione sub-nanoscala nel materiale in risposta ai cambiamenti nel materiale causati dall'accumulo di energia.

I ricercatori hanno studiato l'ossido di tungsteno cristallino diidrato, che consiste di strati cristallini di ossido di tungsteno separati da strati d'acqua atomicamente sottili. Il materiale è interessante perché promette di aiutare a immagazzinare e rilasciare energia in modo rapido ed efficiente. Però, non è stato chiaro quale ruolo giochi l'acqua in questo processo.

Per rispondere a questa domanda, ricercatori della North Carolina State University, l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) e la Texas A&M University hanno utilizzato una nuova metodologia. La nuova tecnica si basa sull'AFM per tracciare l'espansione e la contrazione del materiale su scala atomica e in tempo reale poiché uno strumento elettronico chiamato potenziostato sposta la carica dentro e fuori il materiale. Questa tecnica ha permesso al team di rilevare anche piccole deformazioni nel materiale mentre la carica si muoveva attraverso di esso.

"Abbiamo testato sia l'ossido di tungsteno cristallino diidrato che l'ossido di tungsteno cristallino, a cui mancano gli strati d'acqua, "dice Veronica Augustyn, un assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la NC State e corrispondente autore di un documento sul lavoro. "E abbiamo scoperto che gli strati d'acqua sembrano svolgere un ruolo significativo nel modo in cui il materiale risponde meccanicamente all'accumulo di energia".

"In particolare, abbiamo scoperto che gli strati d'acqua fanno due cose, " dice Ruocun "John" Wang, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Augustyn e autore principale dell'articolo. "Uno, gli strati d'acqua minimizzano la deformazione, il che significa che il materiale si espande e si contrae meno man mano che gli ioni entrano ed escono dal materiale quando ci sono strati d'acqua. Due, gli strati d'acqua rendono la deformazione più reversibile, il che significa che il materiale ritorna più facilmente alle sue dimensioni originali."

"In termini pratici, ciò significa che il materiale con strati d'acqua è più efficiente nell'immagazzinare la carica, perdendo meno energia, "dice Augustin.

La carta, "La microscopia a forza atomica Operando rivela i meccanismi della transizione strutturale da batteria a pseudocondensatore, " è pubblicato sulla rivista ACS Nano .