Μια νέα θεωρία για ηλεκτροχημικά συστήματα – κάτι που είναι μεγαλύτερο από το άθροισμα των μερών του

Όταν πρόκειται για το σχεδιασμό ή την βελτιστοποίηση μηχανικών συστημάτων, οι επιστήμονες κατανοούν αρκετά καλά τους φυσικούς νόμους που τα διέπουν ώστε να δημιουργήσουν υπολογιστικά μοντέλα που μπορούν να προβλέπουν τις ιδιότητες και τις συμπεριφορές τους. Ωστόσο, οι επιστήμονες οι οποίοι εργάζονται για να σχεδιάσουν καλύτερα ηλεκτροχημικά συστήματα, όπως οι μπαταρίες ή οι υπερπυκνωτές, δεν έχουν ακόμη – ή τουλάχιστον δεν είχαν μέχρι τώρα – ένα κατανοητό μοντέλο των οδηγών δυνάμεων που διέπουν την περίπλοκη ηλεκτροχημική συμπεριφορά.

Μετά από οκτώ χρόνια έρευνας πάνω στην συμπεριφορά αυτών των υλικών και στις ιδιότητές τους, επιστήμονες από Εθνικά Εργαστήρια των ΗΠΑ έχουν αναπτύξει ένα κατανοητό μοντέλο που συνδυάζει υπάρχουσες θεωρίες για να διαμορφώσει μια πιο γενική θεωρία της ηλεκτροχημείας που προβλέπει την προηγουμένως ανεξήγητη συμπεριφορά. Το νέο μοντέλο, που αποκαλείται Πλαίσιο Ενοποιημένου Ηλεκτροχημικού Διαγράμματος Ζωνών (Unified Electrochemical Band-Diagram Framework ή UEB Framework), συνενώνει τη βασική ηλεκτροχημική θεωρία, με θεωρίες που χρησιμοποιούνται σε διαφορετικά πλαίσια, όπως η μελέτη της φωτοηλεκτροχημείας και η φυσική ημιαγωγών, για να περιγράψουν φαινόμενα που συμβαίνουν σε κάθε ηλεκτρόδιο.

Η έρευνα άρχισε με τη μελέτη του άλφα οξειδίου του μαγγανίου [η δομή του στην εικόνα], ένα υλικό που μπορεί να φορτίζεται και να αποφορτίζεται ταχέως, καθιστώντας το ιδεώδες για ορισμένες μπαταρίες. Οι επιστήμονες θέλησαν να κατανοήσουν το μηχανισμό πίσω από τις μοναδικές ιδιότητες του υλικού έτσι που θα μπορούσαν να βελτιωθούν πάνω σε αυτόν. «Δεν υπήρχε μια ικανοποιητική απάντηση για το πώς λειτουργούσε αυτό το υλικό», αναφέρεται από τον Matthias Young, έναν από τους συγγραφείς της μελέτης, «όμως μετά από πολλούς υπολογισμούς στο σύστημα, ανακαλύψαμε ότι συνδυάζοντας θεωρίες μπορούσαμε να αποκτήσουμε την κατανόηση του μηχανισμού».

Εκτεταμένοι έλεγχοι διάφορων άλλων υλικών βοήθησαν τους επιστήμονες να αναπτύξουν το μοντέλο και να αποδείξουν τη χρησιμότητά του στην πρόβλεψη σπάνιων φαινομένων. «Το μοντέλο περιγράφει πώς οι ιδιότητες του υλικού και το περιβάλλον του αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και οδηγούν σε μετασχηματισμούς και αποδόμηση. Μας βοηθάει να προβλέψουμε τι θα συμβεί στο υλικό σε ένα ειδικό περιβάλλον. Θα καταρρεύσει; Θα αποθηκεύσει φορτίο;», ανέφερε ο Young.

Τα υπολογιστικά μοντέλα που χρησιμοποιούν το UEB Framework όχι μόνο επιτρέπουν τους επιστήμονες να προβλέπουν τη συμπεριφορά του υλικού, αλλά μπορεί επίσης να τους πληροφορήσει ποιες αλλαγές στο υλικό θα μπορούσαν να βελτιώσουν την απόδοσή του. «Υπάρχουν μοντέλα που κάνουν ορθές προβλέψεις, όμως δεν σου δίνουν τα εργαλεία για να κάνεις το υλικό καλύτερο», δήλωσε ο ίδιος επιστήμονας. «Αυτό το μοντέλο σου δίνει τις εννοιολογικές λαβές που μπορείς να γυρίσεις για να καταλάβεις τι να αλλάξεις για να βελτιώσεις την απόδοση του υλικού».

Επειδή το μοντέλο είναι γενικό και θεμελιακό, έχει τη δυνατότητα να βοηθάει τους επιστήμονες στην ανάπτυξη του κάθε ηλεκτροδίου, συμπεριλαμβανομένων και εκείνων που χρησιμοποιούνται για τις μπαταρίες, την κατάλυση, τους υπερπυκνωτές και ακόμη για την αφαλάτωση. «Κερδίζουμε κάτι που είναι περισσότερο από το άθροισμα των μερών του», ανέφερε ο Young. «Έχουμε πάρει πολύ λαμπρό έργο από πολύ διαφορετικούς ανθρώπους και το ενοποιήσαμε σε κάτι που αποδίδει πληροφορία που δεν υπήρχε προηγουμένως».