Quando se trata de projetar e otimizar sistemas mecânicos, os cientistas entendem as leis físicas que os cercam bem o suficiente para criar modelos de computador que podem prever suas propriedades e comportamento. Contudo, cientistas que estão trabalhando para projetar melhores sistemas eletroquímicos, como baterias ou supercapacitores, ainda não tenho um modelo abrangente das forças motrizes que governam o comportamento eletroquímico complexo.

Após oito anos de pesquisas sobre o comportamento desses materiais e suas propriedades, cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), O Laboratório Nacional de Energia Renovável do DOE e a Universidade de Colorado-Boulder desenvolveram um modelo conceitual que combina teorias existentes para formar uma teoria mais geral de eletroquímica que prevê comportamento anteriormente inexplicado.

O novo modelo, chamado Unified Electrochemical Band-Diagram Framework (UEB), funde a teoria eletroquímica básica com teorias usadas em diferentes contextos, como o estudo de fotoeletroquímica e física de semicondutores, para descrever fenômenos que ocorrem em qualquer eletrodo.

A pesquisa começou com o estudo do óxido de alfa manganês, um material que pode carregar e descarregar rapidamente, tornando-o ideal para certas baterias. Os cientistas queriam entender o mecanismo por trás das propriedades únicas do material para que pudessem melhorá-lo.

"Não houve uma resposta satisfatória sobre como o material estava funcionando, "disse o cientista de Argonne Matthias Young, "mas depois de fazer muitos cálculos no sistema, descobrimos que, combinando teorias, poderíamos entender o mecanismo. "

Testes extensivos de vários outros materiais ajudaram os cientistas a desenvolver o modelo e demonstrar sua utilidade na previsão de fenômenos excepcionais.

"O modelo descreve como as propriedades de um material e seu ambiente interagem entre si e levam a transformações e degradação, "disse Young." Isso nos ajuda a prever o que acontecerá com um material em um ambiente específico. Será que vai desmoronar? Ele vai armazenar a carga? "

Modelos computacionais usando UEB não apenas permitem aos cientistas prever o comportamento do material, mas também pode informar quais alterações no material podem melhorar seu desempenho.

"Existem modelos que fazem previsões corretas, mas eles não fornecem as ferramentas para tornar o material melhor, "disse Young." Este modelo fornece as alças conceituais que você pode usar para descobrir o que mudar para melhorar o desempenho do material. "

Como o modelo é geral e fundamental, tem o potencial de ajudar os cientistas no desenvolvimento de qualquer eletrodo, incluindo aqueles usados ​​para baterias, catálise, supercondensadores e até mesmo dessalinização.

“Estamos ganhando algo que é mais do que a soma de suas partes, "disse Young." Recebemos muitos trabalhos brilhantes de muitas pessoas diferentes, e nós o unificamos em algo que produz informações que não existiam antes. "