Một siêu vật liệu thích hợp cho pin và các thiết bị chuyển đổi năng lượng khác

Những khám phá bất ngờ có thể dẫn đến những khám phá lớn về pin, pin nhiên liệu và thiết bị chuyển đổi điểm nóng trong tương lai.
Các nhà khoa học thường thiết kế một giải pháp phù hợp và thực hiện nghiên cứu bằng cách lựa chọn cẩn thận một vấn đề nghiên cứu. Nhưng những khám phá bất ngờ có thể xảy ra trong quá trình này.
Mercouri Kanatzidis, giáo sư được Đại học Northwestern và Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) cùng thuê, đã thu được những thành tựu bất ngờ khi nghiên cứu một loại chất siêu dẫn mới. Chất siêu dẫn này là vật liệu chỉ dày 4 nguyên tử và chỉ có thể nghiên cứu chuyển động của các hạt tích điện trong không gian hai chiều. Nghiên cứu như vậy có thể kích thích phát minh ra vật liệu mới cho các thiết bị chuyển đổi năng lượng khác nhau. hình ảnh
Chất dẫn siêu âm hai chiều α-KAg3Se2 có cấu trúc nguyên tử bốn lớp. Màu của nguyên tử giống như màu trên tên của nguyên tử. (Ảnh do Mercouri Kanatzidis, Đại học Tây Bắc và Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne cung cấp)
Đại học Tây Bắc và Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne đồng bổ nhiệm Giáo sư Mercouri Kanatzidis, cho biết: "Phân tích của chúng tôi cho thấy trước khi biến đổi, các ion bạc được cố định trong một không gian hạn chế hai chiều, nhưng sau khi biến đổi, các ion bạc bắt đầu di chuyển."
Vật liệu mục tiêu của Kanatzidis là sự kết hợp của bạc, kali và selen (α-KAg3Se2), là một cấu trúc 4 lớp. Những vật liệu hai chiều này chỉ có chiều dài và chiều rộng, nhưng chỉ cao bằng 4 nguyên tử, hầu như không có chiều cao.

Khi nhiệt độ được làm lạnh xuống mức rất thấp, vật liệu siêu dẫn sẽ mất hết khả năng chống lại sự chuyển động của các điện tử. Kanatzidis, một nhà khoa học cấp cao tại Khoa Khoa học Vật liệu Argonne (MSD), cho biết: "Điều này làm tôi thất vọng. Vật liệu này hoàn toàn không thể là chất siêu dẫn và chúng tôi chưa thể tạo ra chất siêu dẫn. Nhưng điều làm tôi ngạc nhiên là vật liệu này thực sự có thể là chất siêu dẫn. Trở thành chất dẫn siêu ion."
Trong chất dẫn siêu ion, các ion tích điện trong vật liệu rắn chảy tự do giống như chất điện phân lỏng trong pin. Điều này dẫn đến chất rắn có độ dẫn ion rất cao, là thước đo độ dẫn điện. Nó có độ dẫn ion cao và độ dẫn nhiệt thấp có nghĩa là nhiệt không thể truyền qua dễ dàng. Đặc tính này làm cho chất siêu dẫn ion trở thành siêu vật liệu cho các thiết bị lưu trữ và chuyển đổi năng lượng.
Manh mối đầu tiên cho việc nhóm nghiên cứu khám phá ra một loại vật liệu có tính chất đặc biệt là khi nhiệt độ được làm nóng trong khoảng từ 450 đến 600 độ F, vật liệu này sẽ trở thành một cấu trúc phân lớp đối xứng hơn. Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng khi nhiệt độ giảm xuống rồi lại tăng lên vùng nhiệt độ cao, quá trình biến đổi có thể đảo ngược.
Kanatzidis cho biết: "Kết quả phân tích của chúng tôi cho thấy trước khi biến đổi, các ion bạc được cố định trong không gian hai chiều của bốn vật liệu. Nhưng sau khi biến đổi, không gian chuyển động của các ion bạc mở rộng." Mặc dù mọi người lo lắng về các ion trong không gian ba chiều. Có rất nhiều kiến ​​thức về chuyển động, nhưng rất ít thông tin về cách chúng di chuyển trong không gian hai chiều.
Các nhà khoa học đã tìm kiếm một loại vật liệu điển hình để nghiên cứu sự chuyển động của các ion trong vật liệu hai chiều. Vật liệu kali-bạc-selen phân lớp này dường như là một trong số đó. Nhóm nghiên cứu đã đo độ phân tán của các ion trong chất rắn và phát hiện ra rằng chất điện phân ion nặng và nước muối tương đương nhau, là một trong những chất dẫn ion nhanh nhất được biết đến.
Mặc dù vẫn còn quá sớm để xác định liệu vật liệu siêu ion với các tính chất đặc biệt này có thể được sử dụng trong các ứng dụng thực tế hay không, nhưng vật liệu mê tín này có thể ngay lập tức trở thành chìa khóa để thiết kế các vật liệu hai chiều khác có độ dẫn ion cao và độ dẫn nhiệt thấp.
Nhà khoa học vật liệu chính của MSD Duck Young Chung cho biết: "Những đặc điểm này rất quan trọng đối với việc thiết kế chất điện phân rắn hai chiều mới cho pin và pin nhiên liệu."
Nghiên cứu về loại vật liệu mê tín này cũng giúp thiết kế các vật liệu nhiệt điện mới giúp chuyển đổi nhiệt trong các nhà máy điện, quy trình công nghiệp và thậm chí cả khí thải ô tô thành điện năng. Loại nghiên cứu này có thể được sử dụng để thiết kế màng lọc để làm sạch môi trường và khử muối trong nước.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí "Nature Materials" với tiêu đề "Một chất dẫn siêu âm loại I hai chiều" ("A two- dimensions type I superionic Conductor"). Ngoài Kanatzidis và Chung, các tác giả còn có Alexander JE Rettie, Jingxuan Ding, Xiuquan Zhou, Michael J. Johnson, Christos D. Malliakas, Naresh C. Osti, Raymond Osborn, Olivier Delaire và Stephan Rosenkranz. Nhóm nghiên cứu bao gồm các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Argonne, Đại học Tây Bắc, Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge của DOE, Đại học College London và Đại học Duke.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng Nguồn neutron va chạm của Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge và Trung tâm nghiên cứu và giáo dục cấu trúc phân tử tích hợp của Đại học Northwestern và Nguồn photon nâng cao Argonne của Phòng thiết bị người dùng khoa học DOE. (Nguồn Photon Nâng cao của Argonne) chùm tia 17-BM-B. Mô phỏng máy tính của họ sử dụng các tài nguyên máy tính được cung cấp trên Bebop, một cụm máy tính hiệu suất cao của Argonne.