As baterias e células de combusta­vel geralmente dependem de um processo conhecido como difusão de a­ons para funcionar. Na difusão ia´nica, os a¡tomos ionizados se movem atravanãs de materiais sãolidos, semelhante ao processo em que a águaéabsorvida pelo arroz quando cozido. Assim como cozinhar arroz, a difusão ia´nica éextremamente dependente da temperatura e requer que altas temperaturas acontea§am rapidamente.

Essa dependaªncia da temperatura pode ser limitante, já que os materiais usados ​​em alguns sistemas, como células de combusta­vel, precisam suportar altas temperaturas, a s 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 ia´nica éaprimorada enquanto o material permanece frio, apenas excitando um número seleto de vibrações conhecidas como fa´nons. Essa nova abordagem - que a equipe chama de “cata¡lise de fa´non” - 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 a­ons durante a difusão de a­ons. Em vez de aumentar a temperatura de todo o material, eles aumentaram a temperatura apenas daquelas vibrações especa­ficas em um processo que chamam de excitação de fa´non direcionada.

“Na³s 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 meca¢nica e coautor do estudo.

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

O processo também pode ter implicações para as baterias de a­on-la­tio.

“Descobrir novos condutores de a­ons éfundamental para o avanço das baterias de la­tio, e as oportunidades incluem permitir o uso de metal de la­tio, que pode potencialmente dobrar a energia das baterias de a­on de la­tio. Infelizmente, falta a compreensão fundamental da condução de a­ons ”, 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 princa­pios de design para condutores de a­ons, que mostra que a redução da energia de fa´nons em estruturas reduz a barreira para difusão de a­ons e aumenta potencialmente a condutividade ia´nica. Kiarash Gordiz, um pa³s-doutorado que trabalha em conjunto com o Grupo de Simulação Atoma­stica e Pesquisa de Energia de Henry e o Laborata³rio de Energia Eletroquímica de Shao-Horn, questionou se eles poderiam combinar a pesquisa de Shao-Horn sobre condução ia´nica com a pesquisa de Henry sobre transferaªncia de calor.

“Usando o trabalho anterior do professor Shao-Horn sobre condutores de a­ons como ponto de partida, decidimos determinar exatamente quais modos de fa´non estãocontribuindo para a difusão de a­ons”, diz Gordiz.

Henry, Gordiz e sua equipe usaram um modelo para fosfato de la­tio, que costuma ser encontrado em baterias de a­on-la­tio. Usando um manãtodo computacional conhecido como análise de modo normal, junto com ca¡lculos de banda ela¡stica e simulações de dina¢mica molecular, o grupo de pesquisa calculou quantitativamente quanto cada fa´non contribui para o processo de difusão de a­ons em fosfato de la­tio.

Munidos desse conhecimento, os pesquisadores poderiam usar lasers para excitar ou aquecer seletivamente fa´nons específicos, em vez de expor todo o material a altas temperaturas. Este manãtodo pode abrir um novo mundo de possibilidades.

Henry acredita que esse manãtodo pode levar a  criação de um novo campo de pesquisa - ao qual ele se refere como "cata¡lise de fa´non". Enquanto o novo trabalho se concentra especificamente na difusão de a­ons, Henry vaª aplicações em reações químicas, transformações de fase e outros fena´menos dependentes da temperatura.

“Nosso grupo estãofascinado pela ideia de que vocêpode ser capaz de catalisar todos os tipos de coisas agora que temos a técnica para descobrir quais fa´nons são importantes”, diz Henry. “Todas essas reações que geralmente requerem temperaturas extremas agora podem acontecer em temperatura ambiente.”

Henry e sua equipe começam a explorar aplicações potenciais para a cata¡lise de fa´nons. Gordiz estãoestudando o uso do manãtodo para condutores superia´nicos de la­tio, que podem ser usados ​​no armazenamento de energia limpa. A equipe também estãoconsiderando aplicações como um supercondutor a  temperatura ambiente e atémesmo a criação de diamantes, que requerem pressão e temperaturas extremamente altas que podem ser acionadas em temperaturas muito mais baixas por meio da cata¡lise de fa´nons.

“Essa ideia de excitação seletiva, focando apenas nas partes de que vocêprecisa e não em tudo, pode ser um grande tipo de mudança de paradigma para a forma como operamos as coisas”, diz Henry. “Precisamos comea§ar a pensar na temperatura como um espectro e não apenas um número.”

Os pesquisadores planejam mostrar mais exemplos de excitação de fa´nons direcionados trabalhando em materiais diferentes. No futuro, eles esperam demonstrar que seu modelo computacional funciona experimentalmente nesses materiais.