Phonon-katalyse kan føre til et nyt felt

Batterier og brændselsceller er ofte afhængige af en proces kendt som iondiffusion for at fungere. Ved iondiffusion, ioniserede atomer bevæger sig gennem faste materialer, ligner processen med vand, der absorberes af ris, når de koges. Ligesom at koge ris, iondiffusion er utrolig temperaturafhængig og kræver høje temperaturer for at ske hurtigt.

Denne temperaturafhængighed kan være begrænsende, da de materialer, der bruges i nogle systemer som brændselsceller, skal modstå høje temperaturer, nogle gange over 1, 000 grader Celsius. I en ny undersøgelse, et team af forskere ved MIT og University of Münster i Tyskland viste en ny effekt, hvor iondiffusion forbedres, mens materialet forbliver koldt, ved kun at ophidse et udvalgt antal vibrationer kendt som fononer. Denne nye tilgang - som holdet omtaler som "fononkatalyse" - kunne føre til et helt nyt forskningsfelt. Deres arbejde blev udgivet i Cell Rapporter Fysisk Videnskab .

I undersøgelsen, forskerholdet brugte en beregningsmodel til at bestemme, hvilke vibrationer der faktisk fik ioner til at bevæge sig under iondiffusion. I stedet for at øge temperaturen på hele materialet, de øgede temperaturen af ​​netop de specifikke vibrationer i en proces, de omtaler som målrettet fonon-excitation.

"Vi opvarmede kun de vibrationer, der betyder noget, og ved at gøre det var vi i stand til at vise, at man kunne holde materialet koldt, men lad det opføre sig som om det er meget varmt, " siger Asegun Henry, professor i maskinteknik og medforfatter til undersøgelsen.

Denne evne til at holde materialer kølige under iondiffusion kan have en bred vifte af anvendelser. I eksemplet med brændselsceller, Hvis hele cellen ikke behøver at blive udsat for ekstremt høje temperaturer, kunne ingeniører bruge billigere materialer til at bygge dem. Dette ville sænke omkostningerne ved brændselsceller og ville hjælpe dem med at holde længere – hvilket løser problemet med mange brændselscellers korte levetid.

Processen kan også have konsekvenser for lithium-ion-batterier.

"Opdagelse af nye ionledere er afgørende for at fremme lithiumbatterier, og muligheder omfatter at muliggøre brugen af ​​lithiummetal, som potentielt kan fordoble energien af ​​lithium-ion-batterier. Desværre, den grundlæggende forståelse af ionledning mangler, " tilføjer Yang Shao-Horn, W.M. Keck professor i energi og medforfatter.

Dette nye værk bygger på hendes tidligere forskning, specifikt arbejdet med Sokseiha Muy Ph.D. om designprincipper for ionledere, som viser, at sænkning af fononenergi i strukturer reducerer barrieren for iondiffusion og potentielt øger ionledningsevnen. Kiarash Gordiz, en postdoc, der arbejder sammen med Henry's Atomistic Simulation and Energy Research Group og Shao-Horns Electrochemical Energy Laboratory, spekulerede på, om de kunne kombinere Shao-Horns forskning i ionledning med Henrys forskning i varmeoverførsel.

"Ved at bruge professor Shao-Horns tidligere arbejde med ionledere som udgangspunkt, vi satte os for at bestemme præcis hvilke fonontilstande der bidrager til iondiffusion, " siger Gordiz.

Henrik, Gordiz, og deres team brugte en model for lithiumphosphat, som ofte findes i lithium-ion-batterier. Ved at bruge en beregningsmetode kendt som normal tilstandsanalyse, sammen med nudged elastic-band beregninger og molekylær dynamik simuleringer, forskergruppen beregnede kvantitativt, hvor meget hver fonon bidrager til iondiffusionsprocessen i lithiumphosphat.

Bevæbnet med denne viden, forskere kunne bruge lasere til selektivt at excitere eller opvarme specifikke fononer, i stedet for at udsætte hele materialet for høje temperaturer. Denne metode kunne åbne op for en ny verden af ​​muligheder.

Daggryet til et nyt felt

Henry mener, at denne metode kan føre til skabelsen af ​​et nyt forskningsfelt - et, han omtaler som "fononkatalyse." Mens det nye arbejde fokuserer specifikt på iondiffusion, Henry ser anvendelser i kemiske reaktioner, fasetransformationer, og andre temperaturafhængige fænomener.

"Vores gruppe er fascineret af ideen om, at du måske er i stand til at katalysere alle slags ting, nu hvor vi har teknikken til at finde ud af, hvilke fononer der betyder noget, " siger Henry. "Alle disse reaktioner, der normalt kræver ekstreme temperaturer, kan nu ske ved stuetemperatur."

Henry og hans team er begyndt at udforske potentielle applikationer til fononkatalyse. Gordiz har kigget på at bruge metoden til lithium superioniske ledere, som kunne bruges til lagring af ren energi. Holdet overvejer også applikationer såsom en stuetemperatur superleder og endda skabelsen af ​​diamanter, som kræver ekstremt højt tryk og temperaturer, der kunne udløses ved meget lavere temperaturer gennem fononkatalyse.

"Denne idé om selektiv excitation, fokuserer kun på de dele, du har brug for i stedet for alt, kunne være en meget stor form for paradigmeskifte for, hvordan vi driver tingene, " siger Henry. "Vi skal begynde at tænke på temperatur som et spektrum og ikke bare et enkelt tal."

Forskerne planlægger at vise flere eksempler på målrettet fonon-excitation, der virker i forskellige materialer. Bevæger sig fremad, de håber at demonstrere deres beregningsmodel fungerer eksperimentelt i disse materialer.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.