Desde baterias de íons de lítio até supercondutores de próxima geração, a funcionalidade de muitas tecnologias modernas e avançadas depende da propriedade física conhecida como intercalação. Infelizmente, é difícil identificar antecipadamente quais dos muitos materiais intercalados possíveis são estáveis, o que exige muito trabalho de laboratório de tentativa e erro no desenvolvimento do produto.



Agora, em um estudo publicado recentemente na ACS Physical Chemistry Au , pesquisadores do Instituto de Ciência Industrial da Universidade de Tóquio e parceiros colaboradores desenvolveram uma equação simples que prevê corretamente a estabilidade de materiais intercalados. As diretrizes sistemáticas de projeto possibilitadas por este trabalho irão acelerar o desenvolvimento de futuros dispositivos eletrônicos de alto desempenho e dispositivos de armazenamento de energia.

Para apreciar a conquista da equipe de pesquisa, precisamos compreender o contexto desta pesquisa. A intercalação é a inserção reversível de convidados (átomos ou moléculas) em hospedeiros (por exemplo, materiais em camadas 2D). O objetivo da intercalação é comumente modificar as propriedades ou estrutura do host para melhorar o desempenho do dispositivo, como visto, por exemplo, em baterias comerciais de íons de lítio.

Embora muitos métodos sintéticos estejam disponíveis para a preparação de materiais intercalados, os pesquisadores não tiveram meios confiáveis ​​de prever quais combinações hospedeiro-hóspede são estáveis. Portanto, muito trabalho de laboratório foi necessário para desenvolver novos materiais intercalados para transmitir funcionalidades de dispositivos de próxima geração. Minimizar este trabalho de laboratório, propondo uma ferramenta preditiva simples para a estabilidade anfitrião-convidado, foi o objetivo do estudo da equipe de pesquisa.

“Somos os primeiros a desenvolver ferramentas preditivas precisas para energias de intercalação hospedeiro-hóspede e para a estabilidade de compostos intercalados”, explica Naoto Kawaguchi, principal autor do estudo. "Nossa análise, baseada em um banco de dados de 9.000 compostos, usa princípios simples de química do primeiro ano de graduação."

Um destaque particular do trabalho é que apenas duas propriedades de hóspedes e oito descritores derivados de hospedeiros foram necessários para os cálculos de energia e estabilidade dos pesquisadores. Em outras palavras, as “melhores suposições” iniciais não eram necessárias; apenas a física subjacente dos sistemas host-convidado. Além disso, os pesquisadores validaram seu modelo em relação a quase 200 conjuntos de coeficientes de regressão.

“Estamos entusiasmados porque a formulação do nosso modelo de regressão é direta e fisicamente razoável”, disse Teruyasu Mizoguchi, autor sênior. "Outros modelos computacionais na literatura carecem de base física ou validação contra compostos intercalados desconhecidos."

Este trabalho é um passo importante para minimizar o laborioso trabalho de laboratório que normalmente é necessário para preparar materiais intercalados. Dado que muitos dispositivos electrónicos e de armazenamento de energia actuais e futuros dependem de tais materiais, o tempo e as despesas necessárias para a investigação e desenvolvimento correspondentes serão minimizados. Consequentemente, os produtos com funcionalidades avançadas chegarão ao mercado mais rapidamente do que era possível anteriormente.

Mais informações: Naoto Kawaguchi et al, Desvendando a estabilidade de compostos de intercalação em camadas por meio de cálculos de primeiros princípios:estabelecendo uma relação linear de energia livre com íons aquosos, ACS Physical Chemistry Au (2024). DOI:10.1021/acsphyschemau.3c00063
Fornecido pela Universidade de Tóquio