Akkututkimuksia atomien ja sienien tasolla

Duke-yliopiston tutkijat ovat paljastaneet, että nestemäinen molekyylidynamiikka selittää kiintoaineisen akkumateriaalin superionisen kuljetuskyvyn.

Eräs tällainen materiaali on litiumiin perustuva argyrodiitti. Vaikka se on kiinteä aine huoneenlämmössä, se sallii silti litiumionien kulkea yhtä nopeasti molekyylirakenteensa läpi kuin nestemäisessä versiossa. Se, miten ja miksi nämä ionit pystyvät tähän, on kuitenkin pitkään ollut mysteeri.

Nyt näytteitä tutkittiin Oak Ridge National Laboratoryssä, jossa niitä kuvattiin atomien tasolla. Kun atomidynamiikka oli mitattu, työ sai laskenta-aikaa Berkeleyn labin tehokkailla tietokoneilla. Ajettuaan simulaatioita ja malleja, jotka kestivät jopa viikkoja, tiimi pystyi vertaamaan laskennallisia tuloksiaan havaitsemiinsa mittauksiin.

Tultiin tulokseen, että ionien kyky kulkea tämän materiaalin läpi nopeasti johtuu sen molekyylivärähtelyistä. Alemmissa lämpötiloissa kiinteiden aineiden molekyylirakenteet pyrkivät värähtelemään pienemmällä määrällä sisäisiä taajuuksia, mikä vaikeuttaa ionien liikkumista niiden läpi. Mutta tällä litiumargyrodiitin muodolla on sen sijaan suurempi määrä värähtelytiloja, kuten nesteellä.

"Ymmärryksen saaminen siitä, kuinka tämä kaikki toimii, auttaa meitä suunnittelemaan materiaaleja näiden periaatteiden pohjalta", Oliver Delaire sanoi.

Empan tutkijat ovat puolestaan kehittäneet toimivan sieni-akun. Elävät solut eivät tuota paljoa sähköä – mutta tarpeeksi esimerkiksi lämpötila-anturin käyttämiseen useita päiviä. Tällaisia antureita käytetään maataloudessa tai ympäristötutkimuksessa.

Tarkasti ottaen kenno ei ole akku, vaan myrkytön mikrobipolttokenno.

"Olemme ensimmäistä kertaa yhdistäneet kahdentyyppisiä sieniä toimivan polttokennon luomiseksi", sanoo Empan tutkija Carolina Reyes. Kahden sienilajien aineenvaihdunta täydentää toisiaan: Anodin puolella on hiivasieni, jonka aineenvaihdunta vapauttaa elektroneja. Katodia kolonisoi valkoinen mätäsieni, joka tuottaa erityistä entsyymiä, jonka avulla elektronit voidaan siepata ja johtaa ulos kennosta.

Sieniakun komponentit valmistetaan 3D-tulostuksella. Näin tutkijat voivat strukturoida elektrodit siten, että mikro-organismit pääsevät ravintoaineisiin mahdollisimman helposti käsiksi.

Sienisolut voivat jopa käyttää selluloosaa ravintoaineena ja siten auttaa hajottamaan akun käytön jälkeen. Niiden ensisijainen ravintolähde on kuitenkin yksinkertaiset sokerit, joita lisätään akkukennoihin. "Voit säilyttää sieniakkuja kuivattuna ja aktivoida ne paikan päällä vain lisäämällä vettä ja ravinteita", Reyes sanoo.

Tutkijat aikovat jatkossa tehdä sienitakusta tehokkaamman ja kestävämmän – ja etsiä muunlaisia sieniä, jotka soveltuisivat sähkön toimittamiseen.

Aiheesta aiemmin:

Uusia materiaaleja akuille ja lämpösähköisille

Polttokenno toimii maaperässä ikuisesti