• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Fononkatalys kan leda till ett nytt område

    Med hjälp av en modell för litiumfosfat, forskare beräknade hur mycket varje fonon bidrar till jondiffusionsprocessen. Beväpnad med denna kunskap, forskare kan använda lasrar för att selektivt excitera eller värma upp specifika fononer, istället för att utsätta hela materialet för höga temperaturer. Detta kan leda till lågkostnadsbränsleceller och batterier, bland många andra applikationer. Kredit:forskarna

    Batterier och bränsleceller är ofta beroende av en process som kallas jondiffusion för att fungera. Vid jondiiffusion, joniserade atomer rör sig genom fasta material, liknar processen där vatten absorberas av ris när det kokas. Precis som att koka ris, jondiiffusion är otroligt temperaturberoende och kräver höga temperaturer för att ske snabbt.

    Detta temperaturberoende kan vara begränsande, eftersom materialen som används i vissa system som bränsleceller behöver tåla höga temperaturer ibland över 1, 000 grader Celsius. I en ny studie, ett team av forskare vid MIT och universitetet i Münster i Tyskland visade en ny effekt, där jondiiffusionen förbättras medan materialet förblir kallt, genom att bara stimulera ett utvalt antal vibrationer som kallas fononer. Detta nya tillvägagångssätt - som teamet kallar "fononkatalys" - kan leda till ett helt nytt forskningsfält. Deras arbete publicerades i Cell Rapporter Fysisk Vetenskap .

    I studien, forskargruppen använde en beräkningsmodell för att avgöra vilka vibrationer som faktiskt fick joner att röra sig under jondiffusion. Istället för att öka temperaturen på hela materialet, de ökade temperaturen på just de specifika vibrationerna i en process som de kallar riktad fononexcitering.

    "Vi värmde bara upp vibrationerna som betyder något, och genom att göra det kunde vi visa att du kunde hålla materialet kallt, men låt det bete sig precis som om det är väldigt varmt, " säger Asegun Henry, professor i maskinteknik och medförfattare till studien.

    Denna förmåga att hålla material svalt under jondiiffusion kan ha ett brett spektrum av tillämpningar. I exemplet med bränsleceller, om hela cellen inte behöver utsättas för extremt höga temperaturer kan ingenjörer använda billigare material för att bygga dem. Detta skulle sänka kostnaderna för bränsleceller och hjälpa dem att hålla längre – vilket löser problemet med den korta livslängden för många bränsleceller.

    Processen kan också få konsekvenser för litiumjonbatterier.

    "Att upptäcka nya jonledare är avgörande för att utveckla litiumbatterier, och möjligheter inkluderar att möjliggöra användningen av litiummetall, vilket potentiellt kan fördubbla energin hos litiumjonbatterier. Tyvärr, den grundläggande förståelsen av jonledning saknas, " tillägger Yang Shao-Horn, W.M. Keck professor i energi och medförfattare.

    Detta nya arbete bygger på hennes tidigare forskning, särskilt arbetet av Sokseiha Muy Ph.D. om designprinciper för jonledare, som visar att sänkning av fononenergi i strukturer minskar barriären för jondiiffusion och potentiellt ökar jonledningsförmågan. Kiarash Gordiz, en postdoc som arbetar tillsammans med Henrys Atomistic Simulation and Energy Research Group och Shao-Horns Electrochemical Energy Laboratory, undrade om de kunde kombinera Shao-Horns forskning om jonledning med Henrys forskning om värmeöverföring.

    "Med professor Shao-Horns tidigare arbete med jonledare som utgångspunkt, vi bestämde oss för att bestämma exakt vilka fononlägen som bidrar till jondiiffusion, säger Gordiz.

    Henry, Gordiz, och deras team använde en modell för litiumfosfat, som ofta finns i litiumjonbatterier. Genom att använda en beräkningsmetod som kallas normallägesanalys, tillsammans med knuffade elastiska bandberäkningar och simuleringar av molekylär dynamik, forskargruppen beräknade kvantitativt hur mycket varje fonon bidrar till jondiffusionsprocessen i litiumfosfat.

    Beväpnad med denna kunskap, forskare kan använda lasrar för att selektivt excitera eller värma upp specifika fononer, istället för att utsätta hela materialet för höga temperaturer. Denna metod kan öppna upp en ny värld av möjligheter.

    Gryningen av ett nytt fält

    Henry tror att den här metoden kan leda till skapandet av ett nytt forskningsfält - ett som han kallar "fononkatalys". Medan det nya arbetet fokuserar specifikt på jondiiffusion, Henry ser tillämpningar i kemiska reaktioner, fastransformationer, och andra temperaturberoende fenomen.

    "Vår grupp är fascinerad av tanken att du kanske kan katalysera alla möjliga saker nu när vi har tekniken att ta reda på vilka fononer som spelar roll, " säger Henry. "Alla dessa reaktioner som vanligtvis kräver extrema temperaturer kan nu hända vid rumstemperatur."

    Henry och hans team har börjat utforska potentiella tillämpningar för fononkatalys. Gordiz har tittat på att använda metoden för litiumöverjoniska ledare, som skulle kunna användas vid lagring av ren energi. Teamet överväger också tillämpningar som en rumstemperatur supraledare och till och med skapandet av diamanter, som kräver extremt högt tryck och temperaturer som kan utlösas vid mycket lägre temperaturer genom fononkatalys.

    "Denna idé om selektiv excitation, fokusera bara på de delar du behöver snarare än allt, kan vara ett mycket stort slags paradigmskifte för hur vi sköter saker, " säger Henry. "Vi måste börja tänka på temperatur som ett spektrum och inte bara ett enda tal."

    Forskarna planerar att visa fler exempel på att riktad fononexcitering fungerar i olika material. Går vidare, de hoppas kunna visa att deras beräkningsmodell fungerar experimentellt i dessa material.

    Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.




    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com