As baterias e células de combustível geralmente dependem de um processo conhecido como difusão de íons para funcionar. Na difusão de íons, átomos ionizados se movem através de materiais sólidos, semelhante ao processo de absorção da água pelo arroz quando cozido. Assim como cozinhar arroz, a difusão iônica é extremamente dependente da temperatura e requer que altas temperaturas ocorram rapidamente.

Essa dependência da temperatura pode ser limitante, como os materiais usados ​​em alguns sistemas, como células de combustível, precisam resistir a altas temperaturas, às vezes superiores a 1, 000 graus Celsius. Em um novo estudo, uma equipe de pesquisadores do MIT e da Universidade de Muenster, na Alemanha, mostrou um novo efeito, onde a difusão de íons é aumentada enquanto o material permanece frio, apenas excitando um número seleto de vibrações conhecidas como fônons. Essa nova abordagem - que a equipe chama de "catálise de fônon" - pode levar a um campo de pesquisa inteiramente novo. Seu trabalho foi publicado em Cell Reports Physical Science .

No estudo, a equipe de pesquisa usou um modelo computacional para determinar quais vibrações realmente faziam os íons se moverem durante a difusão de íons. Em vez de aumentar a temperatura de todo o material, eles aumentaram a temperatura apenas daquelas vibrações específicas em um processo que eles chamam de excitação de fônon direcionada.

"Nós apenas aquecemos as vibrações que importam, e ao fazer isso, pudemos mostrar que você pode manter o material frio, mas comporte-se como se estivesse muito quente, "diz Asegun Henry, professor de engenharia mecânica e coautor do estudo.

Essa capacidade de manter os materiais resfriados durante a difusão de íons pode ter uma ampla gama de aplicações. No exemplo das células de combustível, se a célula inteira não precisa ser exposta a temperaturas extremamente altas, os engenheiros podem usar materiais mais baratos para construí-la. Isso reduziria o custo das células de combustível e as ajudaria a durar mais - resolvendo o problema da curta vida útil de muitas células de combustível.

O processo também pode ter implicações para as baterias de íon de lítio.

"Descobrir novos condutores de íons é fundamental para o avanço das baterias de lítio, e as oportunidades incluem permitir o uso de metal de lítio, que pode potencialmente dobrar a energia das baterias de íon de lítio. Infelizmente, falta a compreensão fundamental da condução iônica, "acrescenta Yang Shao-Horn, W.M. Professor Keck de Energia e co-autor.

Este novo trabalho baseia-se em sua pesquisa anterior, especificamente o trabalho de Sokseiha Muy Ph.D. nos princípios de design para condutores de íons, que mostra a redução da energia dos fônons nas estruturas, reduz a barreira para a difusão de íons e aumenta potencialmente a condutividade do íon. Kiarash Gordiz, um pós-doutorado trabalhando em conjunto com o Grupo de Simulação Atomística e Pesquisa de Energia de Henry e o Laboratório de Energia Eletroquímica de Shao-Horn, perguntou-se se eles poderiam combinar a pesquisa de Shao-Horn sobre a condução de íons com a pesquisa de Henry sobre transferência de calor.

"Usando o trabalho anterior do professor Shao-Horn sobre condutores de íons como ponto de partida, partimos para determinar exatamente quais modos de fônon estão contribuindo para a difusão de íons, "diz Gordiz.

Henry, Gordiz, e sua equipe usou um modelo para fosfato de lítio, que é freqüentemente encontrado em baterias de íon de lítio. Usando um método computacional conhecido como análise de modo normal, junto com cálculos de banda elástica e simulações de dinâmica molecular, o grupo de pesquisa calculou quantitativamente o quanto cada fônon contribui para o processo de difusão de íons em fosfato de lítio.

Armado com este conhecimento, pesquisadores poderiam usar lasers para excitar ou aquecer seletivamente fônons específicos, em vez de expor todo o material a altas temperaturas. Este método pode abrir um novo mundo de possibilidades.

O amanhecer de um novo campo

Henry acredita que esse método pode levar à criação de um novo campo de pesquisa - ao qual ele se refere como "catálise de fônon". Embora o novo trabalho se concentre especificamente na difusão de íons, Henry vê aplicações em reações químicas, transformações de fase, e outros fenômenos dependentes da temperatura.

"Nosso grupo está fascinado pela ideia de que você pode ser capaz de catalisar todos os tipos de coisas agora que temos a técnica para descobrir quais fônons são importantes, "diz Henry." Todas essas reações que normalmente requerem temperaturas extremas agora podem acontecer em temperatura ambiente. "

Henry e sua equipe começaram a explorar aplicações potenciais para a catálise de fônons. Gordiz tem estudado como usar o método para condutores superiônicos de lítio, que poderia ser usado no armazenamento de energia limpa. A equipe também está considerando aplicações como um supercondutor à temperatura ambiente e até mesmo a criação de diamantes, que requerem pressão e temperaturas extremamente altas que podem ser acionadas em temperaturas muito mais baixas por meio da catálise de fônon.

"Essa ideia de excitação seletiva, focando apenas nas partes de que você precisa e não em tudo, pode ser um grande tipo de mudança de paradigma para a forma como operamos as coisas, "diz Henry." Precisamos começar a pensar na temperatura como um espectro e não apenas um número. "

Os pesquisadores planejam mostrar mais exemplos de excitação de fônons direcionados trabalhando em materiais diferentes. Seguindo em frente, eles esperam demonstrar que seu modelo computacional funciona experimentalmente nesses materiais.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.