Como portadores de carga, los electrones y los iones juegan el papel principal en los dispositivos y convertidores de almacenamiento de energía electroquímica, como las baterías y las pilas de combustible. La conductividad de los protones es crucial para estos últimos; los protones, es decir, iones de hidrógeno cargados positivamente, se forman a partir del hidrógeno, que esutilizado para alimentar la pila de combustible. El físico de Empa, Artur Braun y Qianli Chen, un estudiante de doctorado en ETH Zurich, realizaron experimentos de dispersión de neutrones en la fuente suiza de neutrones de espalación SINQ en el Instituto Paul Scherrer PSI que documentan la movilidad de los protones enEn el proceso, observaron que los movimientos de protones en las celdas de combustible cerámicas obedecen a leyes mucho más complejas de lo que se suponía anteriormente: el movimiento de los protones tiene lugar de acuerdo con el llamado modelo de Polaron, como informaron recientemente los investigadores en eldiario Comunicaciones de la naturaleza .
El modelo polaron
Durante mucho tiempo, la teoría del polaron desarrollada por el físico ruso y eventual ganador del Premio Nobel Lev Davidovich Landau en 1933 solo se aplicó a los electrones. El modelo describe cómo los electrones "se abren paso" a través de un cristal dieléctrico y la fuerza "interfiere"átomos fuera de posición, lo que ralentiza los electrones. En otras palabras, los polarones son ondas de movimiento en el cristal, cuya propagación puede describirse como la trayectoria de una partícula. Pueden desviarse y reflejarse.
El polaron electrónico ha sido durante mucho tiempo un pilar de la física teórica y la base indiscutible para los cálculos de modelos aplicados en círculos expertos. Por el contrario, la existencia de un polaron de hidrógeno, es decir, un ion de hidrógeno que "salta" de una posición a la siguiente- era solo una teoría especulativa hasta ahora. Aunque los biólogos utilizaron el modelo de salto de átomos de hidrógeno para explicar ciertos procesos metabólicos, los físicos de estado sólido no consideraron los polarones de hidrógeno como un modelo explicativo válido.
Esto podría cambiar ahora: en base a experimentos con óxido de bario-óxido de bario dopado con itrio y cristales de óxido de circonio y bario, Braun y Chen lograron demostrar la existencia del polaron protónico. En estado seco, estos cristales no son conductores. Siestán expuestos a una atmósfera de vapor, sin embargo, se forman grupos OH dentro de la estructura cristalina. Los protones liberados pueden moverse en forma de onda y el óxido se vuelve iónicamente conductor. El calor y la alta presión proporcionan prueba
Braun y Chen encontraron evidencia de ondas de iones de hidrógeno al estudiar los cristales bajo diferentes condiciones de alta presión y a temperaturas de hasta 600 grados Celsius. La buena conectividad de Empa en el mundo científico fue fundamental: las muestras se radiografiaron en la fuente de neutrones de PSIy los experimentos de alta presión sobre los cristales se realizaron junto con investigadores de la Facultad de Geociencias / Geografía de la Universidad de Goethe, Frankfurt am Main.
El resultado: a temperaturas de entre 220 y 520 grados, la conductividad aumenta exactamente en la misma medida que lo predicho en los cálculos del modelo para las vibraciones de la red del cristal. Por lo tanto, los protones se unen inicialmente en la red cristalina y comienzan a saltarel cristal de un grupo OH a otro en el concierto de vibraciones reticulares cuando se calienta. Si el cristal se expone a alta presión con un compactador especial, hay menos espacio para los saltos de protones y la conductividad vuelve a caer. Esto demuestra que el modelo polaronse aplica tanto a los electrones como a los protones. "Y quién sabe, quizás la teoría también sea válida para otros iones como el litio", especula Braun.
Los hallazgos de los investigadores de Empa pronto podrían brindar información vital sobre la elección del material para las celdas de combustible y los sistemas de almacenamiento de hidrógeno, y así influir en el suministro de energía del futuro. Sin embargo, el comportamiento de los aislantes de cerámica también se puede medir másefectivamente ahora: ¿todavía aíslan bien a altas temperaturas en el aire exterior húmedo? ¿O se desarrollan fugas actuales que pueden atribuirse a la conducción de Polaron? Gracias al proyecto de Braun y Chen, que fue financiado por la Swiss National Science Foundation SNSF,ciertos acertijos de la ciencia de los materiales pueden ser resueltos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorios federales suizos de ciencia y tecnología de materiales EMPA . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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