In questa epoca di post-industrializzazione, l'elettricità è diventata la spina dorsale della nostra società. Però, l'utilizzo di combustibili fossili per generarlo non è l'opzione migliore a causa della loro disponibilità limitata e della loro natura dannosa. Negli ultimi due decenni, sono stati compiuti sforzi significativi per sviluppare tecniche per promuovere l'energia sostenibile. In questo contesto, Le celle a combustibile ad ossido solido (SOFC) sono diventate un'alternativa pulita e altamente efficiente in grado di generare energia elettrica. Però, uno dei principali svantaggi delle SOFC è la loro elevata temperatura di esercizio, limitandone l'uso diffuso.

Diversi studi precedenti hanno tentato di superare questo inconveniente migliorando la conducibilità alle alte temperature utilizzando ossidi di tipo fluorite come il CeO _2-δ . Normalmente, questi ossidi di fluorite sono disponibili in forma porosa, e si ritiene che il loro meccanismo di conduttività dipenda dall'adsorbimento superficiale delle molecole d'acqua, che è il processo di adesione di atomi o molecole a una superficie.

Un team di scienziati della Tokyo University of Science, guidato dal dottor Tohru Higuchi, ha portato questa ricerca un passo avanti. Nel loro nuovo studio pubblicato in Lettere di ricerca su nanoscala , i ricercatori hanno esplorato l'effetto del "doping, " che è il processo di aggiunta di impurità per alterare la loro conduttività, su questi ossidi, che sono un ottimo candidato per le SOFC. I ricercatori hanno "drogato" l'ossido con un metallo chiamato Samario (Sm). Quindi, hanno depositato film sottili di questo ossido drogato su un substrato di ossido di alluminio (Al ₂ oh ₃ ) in una direzione specifica nota per aumentare la conduttività. Il dottor Higuchi lo considera un vantaggio, affermando, "Quando si considerano dispositivi pratici, le forme a film sottile sono più adatte delle forme porose o nanocristalline."

Quindi, il team di ricerca ha caratterizzato la qualità cristallina e la struttura elettronica del nuovo film. Hanno anche confrontato la differenza di conduttività tra questo nuovo film e gli ossidi ceramici spessi comunemente usati nell'industria. I loro risultati hanno rivelato che il campione di ceramica ha mostrato una scarsa cristallinità e una scarsa conduttività protonica rispetto al campione a film sottile.

Cosa c'è di più, la "resistività" - o la resistenza al flusso elettrico - del film sottile è risultata diminuire con l'aumentare dell'umidità a causa della "conduzione protonica" negli ossidi di tipo fluorite, come spiegato dal meccanismo di Grotthuss. Una molecola d'acqua è composta da due atomi di ossigeno e un atomo di idrogeno. Le molecole d'acqua hanno legami tra loro, chiamati "legami idrogeno". Il meccanismo di Grotthuss (o meccanismo "hop-turn") permette di scindere le molecole d'acqua in ioni che ne aumentano la conduttività, e quindi si spostano da un legame idrogeno all'altro. È stato scoperto che il nuovo film mostra conduzione protonica superficiale nella regione a bassa temperatura inferiore a 100°C.

Questo romanzo film, con la sua elevata conducibilità a temperatura ambiente, è sicuro di avere diverse applicazioni in futuro. Per quanto riguarda le SOFC, Il dottor Higuchi conclude, "Il nostro studio sulle membrane elettrolitiche presenta risultati radicali che possono aiutare a ridurre la temperatura di esercizio delle SOFC, e può essere un sistema alternativo per realizzare dispositivi più pratici utilizzando ossidi di tipo fluorite nelle SOFC, e aprire nuove strade per la generazione di energia nucleare e termica in futuro".