Увеличение диффузии ионов с помощью фононного катализа
Группа исследователей из Массачусетского технологического университета (США) и университета Мюнстера (Германия) смогли увеличить диффузию ионов в результате избирательного нагрева определённых фононов. Они считают, что это может найти широкое применение. В том числе в аккумуляторных батареях и топливных элементах. Работа последних, как известно, сильно зависит от диффузии ионов. При этом ионизированные атомы движутся через твёрдый материал, и скорость этого процесса сильно зависит от температуры. Чтобы ускорить процесс требуется серьезное увеличение температуры материала.
Необходимость нагрева ограничивает возможности по увеличению диффузии ионов. В некоторых системах требуется температура до 1000 градусов Цельсия. В своём исследовании специалисты раскрыли новый способ для увеличения диффузии ионов. При этом материал остается холодным, а нагреваются только определенные фононы. Учёные назвали этот подход фононным катализом. Процесс увеличения температуры конкретных фононов они назвали целевым фононным возбуждением. Результаты исследования были опубликованы в Cell Reports Physical Science.
При изучение диффузии специалисты применяли вычислительную модель для определения типов колебаний, которые заставляли ионы перемещаться быстрее. Вместо нагрева всего материала учёные увеличили температуру лишь конкретных колебаний. Один из соавторов исследования Асегун Генри (Asegun Henry) сказал, что при сохранении материала холодным получается заставить его вести себя, как будто он сильно нагрет.
Как считают авторы исследования, такая способность может широко использоваться в различных сферах деятельности. Например, в случае топливных элементов их не нужно будет подвергать воздействию высоких температур, а, значит, для их производства можно использовать более дешевые материалы. Помимо того, что это уменьшит стоимость, это также увеличит срок службы многих современных топливных элементов.
Результаты этого исследования также могут быть полезны в сфере производства литий-ионных аккумуляторов. Один из авторов новой методики профессор Ян Шао-Хорн (Yang Shao-Horn) считает, что она окажет положительное влияние на развитие литий-ионных аккумуляторных батарей. В частности, это расширит возможности по использованию металлического лития, который может удвоить энергетическую ёмкость таких аккумуляторов.
Проведенная работа основывается на исследованиях, которые были до этого. Например, исследовались принципы проектирования ионных проводников. Тогда была показано, что уменьшение энергии фотонов позволило снизить барьер для диффузии ионов и увеличило ионную проводимость. Киараш Гордиз (Kiarash Gordiz) из группы исследователей сказал, что за отправную точку была взята работа профессора Шао-Хорна (Shao-Horn) по ионным проводникам. На основании этих данных специалисты решили определить, какие фононы вносят решающий вклад в процесс диффузии ионов.
В работе использовался фосфат лития, который часто применяется в составе литий-ионных батарей. В расчётах использовались такие методики, как анализ нормального режима, моделирование молекулярной динамики, расчёты смещения эластичных лент. В результате исследовательской группе удалось подсчитать вклад фононов в процесс диффузии ионов на примере фосфата лития. На основе полученных расчётов специалисты могут применять лазеры для избирательного возбуждения или нагрева фононов. В этом случае отпадает необходимость нагрева всего материала.
Несмотря на то, что работа была сосредоточена на диффузии ионов, Асегун Генри считает, что это методика может перерасти в новую область исследований под названием фононный катализ. Разработанная методика позволяет определять фононы, которые требуются для стимулирования диффузии. В будущем станет возможным обеспечить протекание при комнатной температуре тех реакций, которые в стандартных условиях требуют экстремальной температуры.
Команда Асегун Генри уже приступила к изучению потенциальных сфер применения фононного катализа. В частности, рассматривается возможность использования методики для литиевых проводников, которые можно использовать для хранения энергии. Рассматривается также создание сверхпроводников при комнатной температуре и получение алмазов (исследователи полагают, что можно значительно снизить температуру и давление, требуемые для их получения).
Работы над избирательным возбуждением фононов продолжаются и в будущем исследователи планируют показать больше примеров на различных материалах.
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
