Fononinen katalyysi?

Kuvassa ionien värähtelyä eli fononeja esitettynä punaisilla nuolilla litiumfosfaattirakenteessa.

Lämmittämällä valikoivasti tiettyjä fononeja lämmittämättä koko materiaalia tutkijat ovat tehostaneet ionidiffuusiota tavalla, jolla voisi olla laajaa käyttöä.

Akkujen ja polttokennojen toiminta riippuu usein ionien diffuusiosta, jossa ionisoidut atomit liikkuvat kiinteiden materiaalien läpi. Ionidiffuusio on kuitenkin vahvasti lämpötilariippuvainen ja vaatii korkeita lämpötiloja tapahtuakseen nopeasti.

Uudessa tutkimuksessa MIT:n ja Saksan Munsterin yliopiston tutkijaryhmä osoitti uuden vaikutuksen, jossa ionien diffuusio paranee samalla kun materiaali pysyy kylmänä, vain virittämällä valitun määrän värinöitä eli fononeita.

Tämä uusi lähestymistapa - jota tiimi kutsuu "fononikatalyyttiksi" - voi johtaa täysin uuteen tutkimusalueeseen.

Tutkimusryhmä käytti laskennallista mallia selvittääkseen, mitkä värähtelyt todella aiheuttivat ionien liikkumisen ionidiffuusion aikana. Sen sijaan, että nostettaisiin koko materiaalin lämpötilaa, he nostivat vain tiettyjen erityisten värähtelyjen lämpötilaa prosessissa, jota ne kutsuvat kohdennetuksi fononiherätykseksi.

"Lämmitimme vain tärkeät värinät ja näin pystyimme osoittamaan, että pystymme pitämään materiaalin kylmänä, mutta saako sen käyttäytyä aivan kuin se on erittäin kuumaa", sanoo konetekniikan professori Asegun Henry.

Tällä kyvyllä pitää materiaalit viileinä ionidiffuusion aikana voi olla laaja valikoima sovelluksia. Polttokennoissa voisi käyttää halvempia materiaaleja, jos koko kennoa ei tarvitse altistaa erittäin korkeille lämpötiloille.

"Uusien ionijohteiden löytäminen on kriittistä litiumakkujen edistämiseksi ja mahdollisuuksiin kuuluu litiummetallin käytön mahdollistaminen. Valitettavasti perustavanlaatuinen käsitys ionien johtumisesta puuttuu”, lisää Yang Shao-Horn, WM Keckin energiaprofessori.

Tässä työssä yhdistettiin aikaisempaan tutkimusta ionijohteiden suunnitteluperiaatteista ja sitä voisiko suunnitteluperiaatteita lämmönsiirtotutkimukseen.

Henry, Gordiz ja heidän tiiminsä käyttivät litiumfosfaattimallia, jota löytyy usein litiumioniakuista. Erilaisien laskentamenetelmien ja simulaatioiden avulla tutkimusryhmä laski kvantitatiivisesti kuinka paljon kukin fononi vaikuttaa litiumfosfaatin ionidiffuusioprosessiin. Tämän tietämyksen avulla tutkijat voisivat käyttää lasereita herättämään tai lämmittämään tiettyjä fononeja valikoivasti sen sijaan, että koko materiaali altistettaisiin korkeille lämpötiloille. Tällainen menetelmä voi avata uuden mahdollisuuksien maailman.

Henry uskoo, että tämä menetelmä voi johtaa uuden tutkimusalueen luomiseen - jota hän kutsuu "fononikatalyysiksi". Vaikka uusi työ keskittyy erityisesti ionien diffuusioon, Henry näkee sovelluksia kemiallisissa reaktioissa, faasimuunnoksissa ja muissa lämpötilasta riippuvaisissa ilmiöissä.

"Tämä valikoivan virityksen idea, joka keskittyy vain tarvittaviin osiin eikä kaikkeen, voi olla erittäin suuri paradigman muutos siihen, miten näemme nämä asiat", Henry sanoo. "Meidän on alettava ajatella lämpötilaa spektrinä eikä vain yhtenä numerona."