Skabelon til at skabe superatomer kunne give bedre batterier

Virginia Commonwealth University-forskere har opdaget en ny strategi til at skabe superatomer - kombinationer af atomer, der kan efterligne egenskaberne af mere end én gruppe af grundstoffer i det periodiske system. Disse superatomer kan bruges til at skabe nye materialer, herunder mere effektive batterier og bedre halvledere; en kernekomponent i mikrochips, transistorer og de fleste computeriserede enheder.

Batterier og halvledere er afhængige af bevægelsen af ​​ladninger fra en gruppe af atomer til en anden. Under denne proces, elektroner overføres fra donoratomer til acceptoratomer. Dannelse af superatomer, der kan levere eller acceptere flere elektroner, samtidig med at strukturel stabilitet bevares, er et nøglekrav for at skabe bedre batterier eller halvledere, sagde Shiv Khanna, Ph.D., Commonwealth Professor og formand for Institut for Fysik i College of Humanities and Sciences. Superatomers evne til effektivt at flytte ladninger, mens de forbliver intakte, tilskrives, hvordan de efterligner egenskaberne af flere grupper af grundstoffer.

"Vi har udtænkt en ny tilgang, hvor man kan syntetisere sådanne metalbaserede superatomer, " sagde Khanna.

I et blad udgivet i Naturkommunikation sidste uge, Khanna beviste teoretisk en metode til at bygge superatomer, der kunne resultere i skabelsen af ​​mere effektive energiske materialer. Arbejdet blev finansieret af Air Force Office of Scientific Research.

"Halvledere bruges i alle livets områder, " sagde Khanna. "Superatomer, der væsentligt kunne forbedre elektrondonation, ville være en betydelig samfundsmæssig fordel."

I øjeblikket, alkali atomer, som danner den første kolonne i det periodiske system, er optimale til at donere elektroner. Disse naturligt forekommende atomer kræver en lav mængde energi for at donere en elektron. Imidlertid, at donere mere end én elektron kræver en uoverkommelig høj mængde energi.

Khanna og kolleger Arthur Reber, lektor i fysik, og Vikas Chauhan, en postdoc ved Institut for Fysik, har skabt en proces, hvorved klynger af atomer kan donere eller modtage flere elektroner ved hjælp af lave niveauer af energi.

"Muligheden for at have disse byggeklodser, der kan acceptere flere opladninger eller donere flere ladninger, ville i sidste ende have vidtgående anvendelser inden for elektronik, " sagde Khanna.

Mens sådanne superatomer allerede er blevet lavet, der har aldrig været en vejledende teori for at gøre så effektivt. Khanna og hans kolleger teoretiserer, at organiske ligander - molekyler, der binder metalatomer for at beskytte og stabilisere dem - kan forbedre udvekslingen af ​​elektroner uden at gå på kompromis med energiniveauet.

De overvejede denne teori ved at bruge grupper af aluminiumklynger blandet med bor, kulstof, silicium og fosfor, parret med organiske ligander. Ved hjælp af beregningsanalyse, de viste, at klyngen ville bruge endnu mindre energi på at donere en elektron end francium, den stærkeste naturligt forekommende alkalielektrondonor.

"Vi kunne bruge ligander til at tage en hvilken som helst klynge af atomer og gøre den til enten en donor eller acceptor af elektroner, " sagde Khanna. "Vi kunne danne elektrondonorer, der er stærkere end ethvert grundstof, der findes på det periodiske system."