Ballet nguyên tử: Các nhà khoa học có khám phá đáng ngạc nhiên về công nghệ pin
Nhìn cận cảnh, dòng ion giữa các điện cực của pin thực chất là một chuỗi các bước nhảy thất thường ở quy mô nguyên tử. Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm laser tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC cho thấy rằng khi bị rung lắc bởi một luồng điện áp, hầu hết các ion nhanh chóng nhảy lùi về vị trí trước đó trước khi tiếp tục hành trình thất thường thông thường của chúng - dấu hiệu đầu tiên cho thấy chúng đã nhớ, theo một nghĩa nào đó, nơi chúng đã đến. vừa mới. Nhà cung cấp hình ảnh: Greg Stewart/SLAC National. Phòng thí nghiệm máy gia tốc
Khi nhìn ở cấp độ nguyên tử, dòng ion dường như trôi chảy qua chất điện phân của pin thực sự khá phức tạp.
Pin thể rắn lưu trữ và giải phóng điện tích bằng cách di chuyển các ion qua lại giữa hai điện cực. Theo quan điểm thông thường của chúng tôi, các ion chảy qua chất điện phân rắn của pin giống như một dòng chảy nhẹ nhàng.
Nhưng khi nhìn ở quy mô nguyên tử, dòng chảy trơn tru đó chỉ là ảo ảnh: Các ion riêng lẻ nhảy thất thường từ không gian mở này sang không gian mở khác trong mạng nguyên tử rộng rãi của chất điện phân, bị đẩy về phía điện cực bởi một điện áp ổn định. Những bước nhảy đó rất khó dự đoán và là một thách thức để kích hoạt và phát hiện.
Bây giờ, trong nghiên cứu đầu tiên thuộc loại này, các nhà nghiên cứu đã tạo cho các ion nhảy một xung điện bằng cách chiếu vào chúng một xung ánh sáng laser. Trước sự ngạc nhiên của họ, hầu hết các ion đã đảo ngược hướng trong thời gian ngắn và quay trở lại vị trí trước đó trước khi tiếp tục hành trình ngẫu nhiên, thông thường hơn của chúng. Theo một nghĩa nào đó, đó là dấu hiệu đầu tiên cho thấy các ion đã nhớ được nơi chúng vừa ở.
Nhóm nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC của Bộ Năng lượng, Đại học Stanford, Đại học Oxford và Đại học Newcastle đã mô tả những gì họ tìm thấy trên tạp chí Nature số ra ngày 24 tháng 1.
Bột bắp điện tử
Andrey D. Poletayev, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Oxford, người đã giúp dẫn dắt thí nghiệm khi ông còn là một postdoc tại SLAC, cho biết: “Bạn có thể coi các ion hoạt động giống như hỗn hợp bột ngô và nước”. “Nếu chúng ta đẩy nhẹ hỗn hợp bột ngô này, nó sẽ giống như chất lỏng; nhưng nếu chúng ta đấm vào nó, nó sẽ cứng lại. Các ion trong pin giống như bột ngô điện tử. Chúng chống lại sự rung lắc mạnh từ chùm ánh sáng laser bằng cách di chuyển về phía sau.
“Bộ nhớ mờ” của các ion, như Poletayev nói, chỉ tồn tại trong vài phần tỷ giây. Nhưng việc biết rằng nó tồn tại sẽ giúp các nhà khoa học lần đầu tiên dự đoán những gì các ion di chuyển sẽ làm tiếp theo – một yếu tố quan trọng để khám phá và phát triển các vật liệu mới.
Một thiết bị laser do nhà khoa học đứng đầu SLAC, Matthias C. Hoffmann chế tạo để dùng cho các thí nghiệm làm rung chuyển các ion di chuyển qua chất điện phân pin thể rắn bằng một xung điện áp. Trước sự ngạc nhiên của các nhà nghiên cứu, hầu hết các ion phản ứng bằng cách đảo ngược tiến trình và nhảy về vị trí trước đó trước khi quay trở lại đường đi thất thường thông thường – dấu hiệu đầu tiên cho thấy chúng nhớ, theo một nghĩa nào đó, chúng đã ở đâu. Nhà cung cấp hình ảnh: Andrey D. Poletayev/Đại học Oxford
Một chất điện phân được thiết kế cho tốc độ
Đối với các thí nghiệm của họ trong phòng thí nghiệm laser của SLAC, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các tinh thể mỏng, trong suốt của chất điện phân rắn từ một họ vật liệu gọi là beta-alumina. Những vật liệu này là chất điện phân có độ dẫn cao đầu tiên được phát hiện. Chúng chứa các kênh nhỏ nơi các ion nhảy có thể di chuyển nhanh và có ưu điểm là an toàn hơn chất điện phân lỏng. Beta-alumina được sử dụng trong pin thể rắn, pin natri-lưu huỳnh và pin điện hóa.
Khi các ion di chuyển qua các kênh của beta-alumina, các nhà nghiên cứu chiếu vào chúng các xung ánh sáng laser dài chỉ một phần nghìn tỷ giây, sau đó đo ánh sáng phát ra từ chất điện phân.
Bằng cách thay đổi thời gian giữa xung laser và phép đo, họ có thể xác định chính xác tốc độ và hướng ưa thích của các ion thay đổi như thế nào trong vài phần nghìn tỷ giây sau cú va chạm từ tia laser.
Kỳ lạ và khác thường
Giáo sư Aaron Lindenberg của SLAC và Stanford, nhà nghiên cứu của Viện Khoa học Vật liệu và Năng lượng Stanford (SIMES), người đứng đầu nghiên cứu, cho biết: “Có nhiều điều kỳ lạ và bất thường đang diễn ra trong quá trình nhảy ion”.
Ông nói: “Khi chúng tôi tác dụng một lực làm rung chuyển chất điện phân, ion không phản ứng ngay lập tức như ở hầu hết các vật liệu. “Ion có thể ngồi đó một lúc, đột ngột nhảy lên, rồi lại ngồi đó một lúc. Bạn có thể phải đợi một thời gian và rồi đột nhiên một sự dịch chuyển khổng lồ xảy ra. Vì vậy, có yếu tố ngẫu nhiên trong quá trình này khiến những thí nghiệm này trở nên khó khăn.”
Các nhà nghiên cứu cho biết, cho đến nay, cách các ion di chuyển được cho là một “bước đi ngẫu nhiên” cổ điển: Chúng chen lấn, va chạm và loạng choạng, giống như một người say rượu loạng choạng bước xuống vỉa hè, nhưng cuối cùng cũng đến được đích theo cách mà có vẻ có chủ ý đối với người quan sát. Hoặc hãy nghĩ đến một con chồn hôi phun chất xịt hôi thối vào một căn phòng đầy người; các phân tử trong bình phun va chạm ngẫu nhiên,
nhưng tất cả đều nhanh chóng chạm đến mũi của bạn.
Khi nói đến các ion nhảy vọt, “bức tranh đó hóa ra là sai ở quy mô nguyên tử,” Poletayev nói, “nhưng đó không phải lỗi của những người đi đến kết luận đó. Chỉ là các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu sự vận chuyển ion bằng các công cụ vĩ mô quá lâu và họ không thể quan sát được những gì chúng ta đã thấy trong nghiên cứu này.
Ông nói, những khám phá ở quy mô nguyên tử được thực hiện ở đây “sẽ giúp thu hẹp khoảng cách giữa các chuyển động nguyên tử mà chúng ta có thể lập mô hình trong máy tính và hiệu suất vĩ mô của vật liệu, điều này đã khiến nghiên cứu của chúng tôi trở nên phức tạp”.
Tham khảo: “Sự tồn tại của bộ nhớ trong sự dẫn ion được thăm dò bằng quang học phi tuyến” của Andrey D. Poletayev, Matthias C. Hoffmann, James A. Dawson, Samuel W. Teitelbaum, Mariano Trigo, M. Saiful Islam và Aaron M. Lindenberg, 24 Tháng 1 năm 2024, Thiên nhiên.
DOI: 10.1038/s41586-023-06827-6
Matthias C. Hoffmann, nhà khoa học đứng đầu Phòng Khoa học và Công nghệ Laser của Nguồn sáng Kết hợp Linac (LCLS) của SLAC, đã chế tạo thiết bị laser được sử dụng trong các thí nghiệm này. Nguồn tài trợ chính cho nghiên cứu đến từ Văn phòng Khoa học DOE.
Mời đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
