Een materiaal met atomair dunne waterlagen is veelbelovend voor technologieën voor energieopslag, en onderzoekers hebben nu ontdekt dat het water een andere rol speelt dan iedereen had verwacht. De bevinding was mogelijk dankzij een nieuwe atomic force microscopie (AFM) -methode die de sub-nanoschaal vervormingssnelheid in het materiaal meet als reactie op veranderingen in het materiaal veroorzaakt door energieopslag.

De onderzoekers bestudeerden kristallijn wolfraamoxidedihydraat, die bestaat uit kristallijne wolfraamoxidelagen gescheiden door atomair dunne lagen water. Het materiaal is interessant omdat het veelbelovend is voor het snel en efficiënt opslaan en vrijgeven van energie. Echter, het is niet duidelijk welke rol het water speelt in dit proces.

Om deze vraag te beantwoorden, onderzoekers van de North Carolina State University, het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) en de Texas A&M University gebruikten een nieuwe methodologie. De nieuwe techniek vertrouwt op AFM om de uitzetting en samentrekking van het materiaal op atomaire schaal en in realtime te volgen, aangezien een elektronisch instrument, een potentiostaat genaamd, lading in en uit het materiaal beweegt. Met deze techniek kon het team zelfs kleine vervormingen in het materiaal detecteren terwijl de lading er doorheen ging.

"We hebben zowel kristallijn wolfraamoxide-dihydraat als kristallijn wolfraamoxide getest - dat de waterlagen mist, " zegt Veronica Augustyn, een assistent-professor materiaalkunde en engineering bij NC State en corresponderende auteur van een paper over het werk. "En we ontdekten dat de waterlagen een belangrijke rol lijken te spelen in hoe het materiaal mechanisch reageert op energieopslag."

"Specifiek, we ontdekten dat de waterlagen twee dingen doen, " zegt Ruocun "John" Wang, een doctoraat student in Augustyn's lab en hoofdauteur van het artikel. "Een, de waterlagen minimaliseren vervorming, wat betekent dat het materiaal uitzet en minder samentrekt als ionen in en uit het materiaal bewegen als er waterlagen zijn. Twee, de waterlagen maken de vervorming meer omkeerbaar, wat betekent dat het materiaal gemakkelijker terugkeert naar zijn oorspronkelijke afmetingen."

"In praktische termen dit betekent dat het materiaal met waterlagen efficiënter is in het opslaan van lading, minder energie verliezen, ' zegt Augustinus.

De krant, "Operando Atomic Force Microscopy onthult mechanica van structurele watergedreven batterij-naar-pseudocondensatorovergang, " is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .