p Como isolantes, óxidos de metal - também conhecidos como cerâmicas - podem não parecer candidatos óbvios para condutividade elétrica. Enquanto os elétrons se movem para frente e para trás em metais normais, seu movimento em materiais cerâmicos é lento e difícil de detectar. p Uma colaboração interdisciplinar liderada por Richard Robinson atualizou o "pequeno modelo de salto polaron" para refletir diferentes caminhos de condução em cerâmica. Seu trabalho ajudará os pesquisadores que estão adaptando as propriedades dos óxidos de metal em tecnologias como baterias de íon de lítio, células a combustível e eletrocatálise.

p Mas a cerâmica contém uma grande variedade de condutividades. Este comportamento foi estabelecido em 1961 no "pequeno modelo de salto polaron, "que descreveu o movimento dos polarons - essencialmente elétrons acoplados a uma distorção da rede - de uma extremidade de um material para a outra.

p Uma colaboração interdisciplinar liderada por Richard Robinson, professor associado de ciência de materiais e engenharia na Faculdade de Engenharia, mostrou o quão desatualizado e impreciso é esse modelo, especialmente em relação a sistemas de óxidos complexos. Ao atualizar o modelo para refletir diferentes caminhos de condução, a equipe espera que seu trabalho ajude os pesquisadores que estão adaptando as propriedades dos óxidos de metal em tecnologias como as baterias de íon de lítio, células a combustível e eletrocatálise.

p Seu papel, "Análise do modelo de salto de pequeno polaron em espinélios de ordem superior, "publicado em 21 de outubro em Materiais avançados . O autor principal é o estudante de doutorado Anuj Bhargava.

p "Esta é a fórmula mais comumente usada no campo, mas não havia sido tocado em 60 anos. Isso é um grande negócio porque, hoje em dia, óxidos de metal são usados ​​em muitas aplicações onde o desempenho é diretamente impactado pela condutividade - por exemplo, em sistemas de energia, como armazenamento e geração de energia elétrica, eletrocatálise, e em materiais de nova geração, "Robinson disse." Muitas pessoas estão colocando uma grande quantidade de esforço experimental em óxidos agora, mas eles não examinaram cuidadosamente como os portadores de carga se movem no material, e como a composição influencia essa condutividade.

p Colaboração radical

p "Se entendêssemos como os elétrons são conduzidos e pudéssemos personalizar a composição para ter a maior condutividade, poderíamos otimizar a eficiência energética de muitos materiais lá fora, " ele disse.

p Para obter uma visão detalhada de como os elétrons se movem em óxidos de metal e como seus locais de ocupação podem afetar a condutividade do material, Robinson voltou-se para Darrell Schlom, o professor de química industrial Herbert Fisk Johnson. Schlom e sua equipe usaram a plataforma para a realização acelerada, Análise, e a descoberta de materiais de interface (PARADIM) e o Cornell NanoScale Science and Technology Facility (CNF) para crescer e caracterizar filmes cristalinos finos de óxido de ferro dopado com manganês (MnxFe3-xO4).

p O grupo de Robinson então usou a Fonte Síncrotron de Alta Energia Cornell (CHESS) para determinar as localizações atômicas e o estado de carga dos íons carregados positivamente, chamados cátions, e medido como a condutividade do material muda em diferentes temperaturas.

p Eles trouxeram o material para Lena Kourkoutis, professor associado em física aplicada e engenharia, que usou microscopia eletrônica avançada para obter uma visão atomicamente precisa do substrato do cristal e gradientes de composição, e confirmou as descobertas da equipe.

p Por último, A equipe de Robinson consultou pesquisadores do Technion - Instituto de Tecnologia de Israel, que usou métodos computacionais para explicar como os polarons saltam de maneira diferente em materiais com base nas barreiras de energia e estados de oxidação. Seus resultados revelaram a existência de grandes barreiras energéticas associadas à "troca" de caminhos de condução entre os dois cátions diferentes, e isso forneceu a peça final crucial necessária para montar uma nova fórmula.

p "Esta nova descoberta nos dá uma visão sobre algo que foi esquecido. Em vez do Edisonian, abordagem de tentativa e erro de apenas fazer e testar um monte de novos materiais, agora podemos ter uma abordagem mais sistemática para descobrir por que os materiais se comportam de forma diferente, especialmente neste nível realmente importante, que é a condutividade eletrônica, "Robinson disse." Os processos importantes em materiais de energia envolvem condutividade, elétrons entrando e saindo do material. Portanto, para qualquer aplicação com óxidos de metal, a condutividade é importante. "