Lägenhet är i betraktarens öga. När du pratar om nanomaterial, dock, det ögat är ganska värdelöst om det inte tittar genom ett elektronmikroskop eller vid en datorvisualisering. Ändå kan groparna och åsarna på en till synes plan yta - så små att de är osynliga utan sådana verktyg - ge materialet häpnadsväckande förmågor. Tricket för forskare som är intresserade av att dra nytta av dessa förmågor ligger i att förstå och, så småningom, förutsäga hur en ytas mikroskopiska topografi kan översättas till transformativa teknologier.

Drexel Universitys Yury Gogotsi och kollegor behövde nyligen en atoms-öga-vy av ett lovande superkondensatormaterial för att reda ut experimentella resultat som var spännande men verkade ologiska. Den uppfattningen gavs av en forskargrupp ledd av Oak Ridge National Laboratory (ORNL) beräkningskemister Bobby Sumpter och Jingsong Huang och beräkningsfysiker Vincent Meunier.

Gogotsis team upptäckte att du kan öka energin som lagras i en kolsuperkondensator dramatiskt genom att krympa porerna i materialet till en till synes omöjlig storlek – till synes omöjlig eftersom porerna var mindre än de lösningsmedelstäckta elektriska laddningsbärarna som skulle passa in i dem. Teamet publicerade sina resultat i tidskriften Vetenskap .

Mysteriet var inte bara akademiskt. Kondensatorer är en viktig teknik som ger energi genom att hålla en elektrisk laddning. De har flera fördelar jämfört med traditionella batterier – laddar och laddas ur nästan omedelbart och laddas om och om igen, nästan på obestämd tid, utan att slitas ut – men de har också nackdelar – viktigast av allt, de håller mycket mindre energi.

En elektrisk dubbelskiktskondensator, eller superkondensator, representerar ett framsteg på tekniken som möjliggör mycket större energitäthet. Medan i traditionella kondensatorer är två metalliska plattor åtskilda av ett icke-ledande material som kallas dielektrikum, i en superkondensator kan en elektrolyt bilda ett elektriskt dubbelskikt med elektrodmaterial som har mycket stora ytareor.

Som sådan, superkondensatorer kan uppnå samma effekt inom ett enda material, eftersom egenskaperna hos materialet delar upp det i separata lager med en mycket tunna, icke-ledande gräns. Eftersom de både kan avstå från ett skrymmande dielektriskt lager och utnyttja kolets porer i nanoskala, superkondensatorer kan lagra mycket mer energi än sina traditionella motsvarigheter i en given volym. Denna teknik kan bidra till att öka värdet av energikällor som är rena, men sporadisk, utmätning av lagrad energi under stillestånd som natt för en solcell eller lugna dagar för ett vindkraftverk.

Så Gogotsis upptäckt var potentiellt banbrytande. Energin lagrades i form av joner i en elektrolyt, med jonerna omgivna av skal av lösningsmedelsmolekyler och packade på ytorna av nanoporösa kol. Forskarna kunde kontrollera storleken på porerna i kolmaterialet, vilket gör dem 0,7 till 2,7 nanometer. Vad de fann var att energin som lagrades i materialet ökade dramatiskt när porerna blev mindre än en nanometer, även om jonerna i deras solvationsskal inte kunde passa in i så små utrymmen.

"Det var ett mysterium, ", sa Sumpter. "Många människor ifrågasatte resultatet vid den tiden. Ändå visade experimentdata en otrolig ökning i kapacitans."

Lyckligtvis, det var ett mysterium att ORNL-teamet kunde reda ut.

"Vi trodde att detta var ett perfekt fall för beräkningsmodellering eftersom vi säkert kunde simulera nanometerstora porer, ", sa Sumpter. "Vi hade kapacitet för elektronisk struktur som kunde behandla det bra, så det var ett mycket bra problem för oss att utforska."

Med hjälp av ORNL:s Jaguar och Eugene superdatorer, Sumpter och hans team kunde ta en titt i nanoskala på interaktionen mellan jon och kolyta. En beräkningsteknik känd som densitetsfunktionsteori tillät dem att visa att fenomenet som Gogotsi observerade var långt ifrån omöjligt. Faktiskt, de fann att jonen ganska lätt hoppar ut ur sitt solvatiseringsskal och passar in i poren i nanoskala.

"Det går på ett sådant sätt att det upplöses i bulken för att komma in eftersom det finns elektrostatisk potential och van der Waals-krafter som drar in den, ", förklarade Sumpter. "Det finns en hel massa olika krafter inblandade, men det är faktiskt väldigt lätt för den att komma in."

ORNL-teamet och kollegor vid Clemson University, Drexel University, och Georgia Tech detaljerade sina resultat i en serie publikationer, Inklusive Angewandte Chemie , Chemistry-A European Journal , ACS Nano , Journal of Chemical Physics C , Fysikalisk kemi Kemisk fysik , Journal of Materials Research , och Nano Brev .

"Dessutom, "Sumpter noterade, "de mikroskopiska knölarna och delarna på en kolplatta gör en dramatisk skillnad i mängden energi som kan lagras på eller i den.

"När du kommer till nanoskalan, ytan är enorm, och krökningen, både konkava och konvexa, kan vara mycket stor. Detta gör stor skillnad i kapacitansen. Vi härledde en modell som förklarade alla experimentella data. Du kan backa ut delarna av modellen från de elektroniska strukturberäkningarna, och från den modellen kan du förutsäga kapacitans för olika typer av krökta former och porstorlekar."

Till exempel, han sa, beräkningarna visade att de laddningsbärande jonerna lagras inte bara genom att glida in i porer utan även fästa på högar i materialet.

"Det är en positiv krökning istället för en negativ krökning, "Sumpter sa, "och de kan lagra och frigöra energi ännu snabbare. Så du kan lagra joner i ett hål eller så kan du lagra joner utanför."

Genom att använda dessa och andra insikter som erhållits genom superdatorsimulering, ORNL-teamet samarbetade med kollegor vid Rice University för att utveckla en fungerande superkondensator som använder atomtjocka ark av kolmaterial.

"Den använder grafen på ett substrat och en polymer-gelelektrolyt, "Sumpter förklarade, "så att du producerar en enhet som är helt transparent och flexibel. Du kan linda den runt fingret, men det är fortfarande en energilagringsenhet. Så vi har gått hela vägen från att modellera elektroner till att göra en funktionell enhet som du kan hålla i handen."