Flat is in the eye of the beholder. Als je het hebt over nanomaterialen, echter, dat oog is vrijwel nutteloos, tenzij het door een elektronenmicroscoop of een computervisualisatie kijkt. Toch kunnen de putten en richels op een ogenschijnlijk vlak oppervlak - zo klein dat ze onzichtbaar zijn zonder dergelijke gereedschappen - het materiaal verbazingwekkende vermogens geven. De truc voor onderzoekers die geïnteresseerd zijn in het benutten van deze vaardigheden, ligt in het begrijpen en, eventueel, voorspellen hoe de microscopische topografie van een oppervlak zich kan vertalen in transformatieve technologieën.

Yury Gogotsi en collega's van de Drexel University hadden onlangs een atoomperspectief nodig van een veelbelovend supercondensatormateriaal om experimentele resultaten te sorteren die opwindend waren maar onlogisch leken. Die mening werd verschaft door een onderzoeksteam onder leiding van Oak Ridge National Laboratory (ORNL) computationele chemici Bobby Sumpter en Jingsong Huang en computationeel fysicus Vincent Meunier.

Gogotsi's team ontdekte dat je de energie die is opgeslagen in een supercondensator van koolstof dramatisch kunt vergroten door de poriën in het materiaal te verkleinen tot een schijnbaar onmogelijke grootte - schijnbaar onmogelijk omdat de poriën kleiner waren dan de met oplosmiddel bedekte elektrische ladingsdragers die erin zouden passen. Het team publiceerde zijn bevindingen in het tijdschrift Wetenschap .

Het mysterie was niet alleen academisch. Condensatoren zijn een belangrijke technologie die energie levert door een elektrische lading vast te houden. Ze hebben verschillende voordelen ten opzichte van traditionele batterijen:bijna onmiddellijk opladen en ontladen en steeds opnieuw opladen, bijna voor onbepaalde tijd, zonder te verslijten - maar ze hebben ook nadelen - vooral, ze bevatten veel minder energie.

Een elektrische dubbellaags condensator, of supercondensator, vertegenwoordigt een vooruitgang op de technologie die een veel grotere energiedichtheid mogelijk maakt. Terwijl in traditionele condensatoren twee metalen platen worden gescheiden door een niet-geleidend materiaal dat bekend staat als een diëlektricum, in een supercondensator is een elektrolyt in staat om een ​​elektrische dubbellaag te vormen met elektrodematerialen die een zeer groot oppervlak hebben.

Als zodanig, supercondensatoren kunnen hetzelfde effect bereiken binnen een enkel materiaal, omdat de eigenschappen van het materiaal het in afzonderlijke lagen verdelen met een zeer dunne, niet-geleidende grens. Omdat ze allebei kunnen afzien van een omvangrijke diëlektrische laag en gebruik kunnen maken van de poriën op nanoschaal van koolstof, supercondensatoren kunnen veel meer energie opslaan dan hun traditionele tegenhangers in een bepaald volume. Deze technologie kan helpen de waarde van schone energiebronnen te verhogen, maar sporadisch, het uitdelen van opgeslagen energie tijdens stilstand, zoals 's nachts voor een zonnecel of rustige dagen voor een windturbine.

De ontdekking van Gogotsi was dus potentieel baanbrekend. De energie werd opgeslagen in de vorm van ionen in een elektrolyt, met de ionen omgeven door schillen van oplosmiddelmoleculen en verpakt op de oppervlakken van nanoporeuze koolstoffen. De onderzoekers waren in staat om de grootte van de poriën in het koolstofmateriaal te controleren, waardoor ze 0,7 tot 2,7 nanometer zijn. Wat ze ontdekten was dat de energie die in het materiaal was opgeslagen dramatisch omhoog schoot toen de poriën kleiner werden dan een nanometer, ook al pasten de ionen in hun solvatatieschillen niet in zulke kleine ruimtes.

"Het was een mysterie, "Zei Sumpter. "Veel mensen twijfelden destijds aan het resultaat. Toch toonden de experimentele gegevens een ongelooflijke toename van de capaciteit."

Gelukkig, het was een mysterie dat het ORNL-team kon ontrafelen.

"We dachten dat dit een perfect geval was voor computationele modellering, omdat we poriën van nanometerformaat zeker konden simuleren, " zei Sumpter. "We hadden elektronische structuurmogelijkheden die het goed konden behandelen, dus het was een heel goed probleem voor ons om te verkennen."

Met behulp van de Jaguar- en Eugene-supercomputers van ORNL, Sumpter en zijn team konden op nanoschaal kijken naar de interactie tussen ionen en koolstofoppervlakken. Een computationele techniek die bekend staat als de dichtheidsfunctionaaltheorie stelde hen in staat om aan te tonen dat het door Gogotsi waargenomen fenomeen verre van onmogelijk was. In feite, ze ontdekten dat het ion vrij gemakkelijk uit zijn solvatatieschil springt en in de porie op nanoschaal past.

"Het gaat op zo'n manier dat het in de bulk oplost om binnen te komen, omdat er elektrostatisch potentieel is en van der Waals-krachten die het naar binnen trekken, Sumpter legde uit. "Er zijn heel veel verschillende krachten bij betrokken, maar in feite is het heel gemakkelijk om binnen te komen."

Het ORNL-team en collega's van Clemson University, Drexel-universiteit, en Georgia Tech hebben hun bevindingen gedetailleerd beschreven in een reeks publicaties, inclusief Angewandte Chemie , Chemie - een Europees tijdschrift , ACS Nano , Journal of Chemical Physics C , Fysische chemie Chemische fysica , Tijdschrift voor materiaalonderzoek , en Nano Brieven .

"In aanvulling, " merkte Sumpter op, "De microscopisch kleine bultjes en kuiltjes op een koolstofplaat maken een dramatisch verschil in de hoeveelheid energie die erop of erin kan worden opgeslagen.

"Als je op nanoschaal komt, het oppervlak is enorm, en de kromming, zowel concaaf als convex, kan erg groot zijn. Dit maakt een groot verschil in de capaciteit. We hebben een model afgeleid dat alle experimentele gegevens verklaarde. U kunt de stukken van het model terugtrekken uit de elektronische structuurberekeningen, en van dat model kun je de capaciteit voorspellen voor verschillende soorten gebogen vormen en poriegroottes."

Bijvoorbeeld, hij zei, de berekeningen toonden aan dat de ladingdragende ionen niet alleen worden opgeslagen door in de poriën te glijden, maar ook door zich te hechten aan heuvels in het materiaal.

"Het is een positieve kromming in plaats van een negatieve kromming, ’ zei Sumpter, "en ze kunnen nog sneller energie opslaan en weer vrijgeven. Dus je kunt ionen opslaan in een gat of je kunt ionen buiten opslaan."

Met behulp van deze en andere inzichten die zijn verkregen door supercomputersimulatie, het ORNL-team werkte samen met collega's van Rice University om een ​​werkende supercondensator te ontwikkelen die atoomdikke vellen koolstofmaterialen gebruikt.

"Het gebruikt grafeen op een substraat en een polymeer-gel-elektrolyt, "Sumpter legde uit, "zodat je een apparaat maakt dat volledig transparant en flexibel is. Je kunt het om je vinger wikkelen, maar het is nog steeds een energieopslagapparaat. We zijn dus helemaal gegaan van het modelleren van elektronen naar het maken van een functioneel apparaat dat je in je hand kunt houden."