Tecnologia Científica

A catálise de fônons pode levar a um novo campo
Ao aquecer seletivamente fônons específicos sem aquecer todo o material, os pesquisadores aumentaram a difusão de íons de uma forma que poderia ter amplas aplicações.
Por Mary Beth Gallagher - 29/05/2021


O professor associado Asegun Henry acredita que este método pode levar à criação de um novo campo de pesquisa - que ele se refere como “catálise de fônon”. Enquanto o novo trabalho se concentra especificamente na difusão de íons, Henry vê aplicações em reações químicas, transformações de fase e outros fenômenos dependentes da temperatura.
Créditos: Foto: Ryuji Suzuki

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

Essa dependência da temperatura pode ser limitante, já que os materiais usados ​​em alguns sistemas, como células de combustível, precisam suportar 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, em que a difusão iônica é aprimorada 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 na Cell Reports Physical Science .

No estudo, a equipe de pesquisa usou um modelo computacional para determinar quais vibrações realmente causaram o movimento dos íons 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 chamam de excitação de fônon direcionada.

“Nós apenas aquecemos as vibrações que importam e, ao fazer isso, pudemos mostrar que era possível manter o material frio, mas com o comportamento de 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-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 de íons ”, acrescenta Yang Shao-Horn, professor de energia da WM Keck e coautor.

Este novo trabalho baseia-se em sua pesquisa anterior , especificamente o trabalho de Sokseiha Muy PhD '18 sobre princípios de design para condutores de íons, que mostra que a redução da energia de fônons em estruturas reduz a barreira para difusão de íons e aumenta potencialmente a condutividade iônica. Kiarash Gordiz, um pós-doutorado que trabalha em conjunto com o Grupo de Simulação Atomística e Pesquisa de Energia de Henry e o Laboratório de Energia Eletroquímica de Shao-Horn, questionou se eles poderiam combinar a pesquisa de Shao-Horn sobre condução iônica 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, decidimos determinar exatamente quais modos de fônon estão contribuindo para a difusão de íons”, diz Gordiz.

Henry, Gordiz e sua equipe usaram um modelo para fosfato de lítio, que costuma ser encontrado em baterias de íon-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 quanto cada fônon contribui para o processo de difusão de íons em fosfato de lítio.

Munidos desse conhecimento, os 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". Enquanto o novo trabalho se concentra 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 geralmente requerem temperaturas extremas agora podem acontecer em temperatura ambiente.”

Henry e sua equipe começaram a explorar aplicações potenciais para a catálise de fônons. Gordiz está estudando o uso do método para condutores superiônicos de lítio, que podem ser usados ​​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 fônons.

“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. No futuro, eles esperam demonstrar que seu modelo computacional funciona experimentalmente nesses materiais. 

 

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