Kryształy oddechowe: transformacja czystej energii i elektroniki

Zespół inżynierów z prestiżowych uniwersytetów z powodzeniem stworzył kryształ, który może dokonywać zmian strukturalnych w czasie rzeczywistym poprzez manipulację cząsteczkami tlenu. Te oddychające kryształy mogą przynieść znaczące postępy w dziedzinie termicznych materiałów budowlanych, lotnictwa i kosmonautyki, informatyki i systemów czystej energii. Oto, co musisz wiedzieć

Zaawansowane materiały, które oddychają

Naukowcy kontynuują badania nad materiałami, które oddychają dzięki inżynierii wakatów tlenowych. Wykorzystują oni materiały takie jak tlenki metali przejściowych (TMO), które można modulować do różnych stanów poprzez usuwanie atomów tlenu z ich składu.

Stany te posiadają różne właściwości, co pozwala naukowcom na dostrajanie programowalnych funkcjonalności. Dzięki temu możliwe jest zwiększenie lub zmniejszenie zdolności katalitycznych, elektronicznych i fotokatalitycznych w skali mikroskopowej. Te regulowane parametry sprawiły, że materiały oddychające stały się kluczowe dla przyszłych technologii, takich jak magazynowanie energii, kataliza, nadprzewodnictwo i urządzenia elektroniczne.

Tlenki kobaltu

Najpopularniejszy rodzaj TMO łączy perowskity na bazie kobaltu i żelaza. Warto zauważyć, że perowskity to nanostruktury krystaliczne, których kształt idealnie nadaje się do tworzenia pierwiastków. Inżynierowie wykorzystują te materiały w TMO, ponieważ charakteryzują się one mocnym wsparciem strukturalnym i mogą wspierać kilka faz strukturalnych.

Problemy z tlenkami kobaltu

Tlenki kobaltu mają swoje ograniczenia. Po pierwsze, materiały te są kruche i kosztowne w produkcji. W związku z tym nie można ich stosować w trudniejszych zastosowaniach bez konieczności stosowania dodatkowych środków zapobiegających uszkodzeniom.

Innym problemem związanym z podejściem opartym na tlenku kobaltu jest to, że struktury te mogą osiągnąć swoje oddzielne stany tylko w wysokich temperaturach lub w innych określonych warunkach. Spełnienie tych warunków może zwiększyć ogólne koszty, rozmiar i ograniczenia ich przeznaczenia. Ponadto, warunki te mogą prowadzić do rozkładu, co obniża wydajność.

Badanie kryształów oddechowych

Dostrzegając te ograniczenia, zespół inżynierów podjął się poszukiwania bardziej stabilnej i elastycznej alternatywy dla TMO na bazie tlenku kobaltu. Ich praca zatytułowana „Selektywna redukcja epitaksjalnego SrFe0.5Co0.5O2.5 i jej odwracalność” została opublikowana w czasopiśmie „The New York Times”.¹ w czasopiśmie Nature Communications przedstawiono nową kompozycję TMO, która może obsługiwać szersze spektrum stechiometrii tlenu.

W ramach tego podejścia inżynierowie stworzyli cienkie warstwy tlenku metalu ze strontu, żelaza i kobaltu. Warstwy SrFe0.5Co0.5O2.5 poddano następnie modulacji za pomocą różnych środowisk gazowych. Zespół zauważa, że ​​ich kryształy wywołują reakcję oddychania, uwalniając i pochłaniając tlen podobnie jak płuca.

Źródło - Uniwersytet Narodowy w Pusan, Korea

W przeciwieństwie do tradycyjnych metod redukcji tlenkiem kobaltu, żelazo pozostawało obojętne, zapewniając kryształom solidną strukturę i eliminując degradację struktury. Ponadto, metody redukcji specyficzne dla poszczególnych pierwiastków pozwalają inżynierom na dostrojenie się do strukturalnie odmiennych faz z niedoborem tlenu, które charakteryzują się różnymi właściwościami.

Zespół zauważył, że wakaty tlenowe w miejscach tetraedrycznych stabilizują strukturę. Ta sztywność strukturalna uległa dalszemu zwiększeniu, gdy żelazo modyfikowało lokalne środowisko koordynacyjne, blokując rozpad strukturalny indukowany przez Co.

Oryginalna forma

Naukowcy byli pod wrażeniem, gdy zobaczyli, że kryształy mogą powrócić do swojej pierwotnej formy po wprowadzeniu tlenu. Ta tania i kontrolowana metoda otwiera drzwi do wielu zastosowań w wielu sektorach technologii. Udokumentowali również, jak żelazo zmniejszało ryzyko powstawania wadliwych perowskitów, brownmillerytów i bogatych w tlen faz perowskitowych w trakcie tego procesu.

Test nauki kryształów oddechowych

Aby przetestować swoją teorię, naukowcy stworzyli cienkie warstwy brownmillerytu (BM) SFCO. Następnie naukowcy zainicjowali reakcje, używając gazu formującego (FG) o stężeniu 3% H₂/Ar przez różne okresy czasu. Gaz ten reaguje z wodorem, powodując uwalnianie atomów tlenu ze struktur sieci krystalicznej.

W trakcie procesu inżynierowie zastosowali szereg strategii testowych. Zastosowanie spektroskopii optycznej ujawniło zwiększoną przezroczystość i inne kluczowe szczegóły. Na przykład, zespół zaobserwował przesunięcie krawędzi absorpcji o 1.65 eV w krawędzi L-Co po redukcji.

Testowanie redoks

Aby udokumentować transformację do pierwotnego stanu strukturalnego, inżynierowie przeprowadzili pomiary dyfrakcji situ i transportu przez fazy. Pomiary potwierdziły ekspansję sieci poza płaszczyznę, wskazując na stopniowe tworzenie się wakatów tlenowych.

Kluczowe ustalenia z badania nad kryształami oddechowymi

Testy wykazały, jak Fe odgrywa kluczową rolę w utrzymaniu spójności strukturalnej i zapobieganiu rozkładowi w TMO. Pokazano również, jak zaplanowana wcześniej kontrola redoks umożliwia tworzenie funkcjonalnie odrębnych faz z niedoborem tlenu.

Badanie wykazało, że Fe pozostawało stabilne chemicznie w różnych warunkach redukujących. Potwierdzono, że jego obecność może wzmacniać podparcie strukturalne, zapobiegając apikalnemu usuwaniu tlenu. Proces ten prowadzi do powstania stabilnej fazy z niedoborem tlenu zamiast niestabilnej.

Korzyści z kryształów oddechowych

Przesuń, aby przewijać →

Badania nad kryształami oddechowymi przynoszą rynkowi wiele korzyści. Po pierwsze, reakcje te zachodzą w łagodniejszych warunkach. Takie podejście wyeliminowało potrzebę stosowania wysokich temperatur lub innych, droższych i bardziej skomplikowanych metod manipulacji środowiskiem gazowym.

Stabilność

Największą korzyścią płynącą z tych badań jest stworzenie nowego, stabilnego TMO na bazie żelaza, który może konwertować fazy z pełną zdolnością reduksową. Stabilność tej nowej struktury przyczyni się do rozwoju przyszłych innowacji w nanotechnologii, lotnictwie i innych zastosowaniach.

Zastosowania kryształów oddechowych w świecie rzeczywistym i chronologia:

Technologia kryształów oddechowych ma wiele zastosowań. Te maleńkie struktury leżą u podstaw niektórych z najbardziej zaawansowanych i ważnych innowacji. Od czystej energii po elektronikę i wiele innych dziedzin – kryształy oddechowe mają wiele zastosowań wartych uwagi.

Ekologiczne materiały budowlane

Raporty pokazują, że systemy klimatyzacji, takie jak klimatyzatory i ogrzewacze, pozostają jednymi z największych źródeł energii na świecie. To badanie otwiera drogę do ekologicznych, inteligentnych materiałów, które mogą automatycznie dostosowywać się do potrzeb, zapewniając komfort bez użycia prądu.

Obecnie realizowanych jest kilka projektów łączących innowacyjne materiały z konstrukcją konstrukcyjną, aby zmniejszyć potrzebę stosowania elektrycznych systemów kontroli temperatury. Doskonałym przykładem tej koncepcji są inteligentne okna. Te specjalnie zaprojektowane okna obiecują automatyczną regulację przepływu ciepła w zależności od ustawień.

Czyste technologie energetyczne

Innym zastosowaniem kryształów oddechowych są ogniwa paliwowe nowej generacji. Ogniwa paliwowe zapewniają czystą energię i mobilność. Niedawno inżynierowie stworzyli ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem, które wytwarzają energię elektryczną z wodoru przy minimalnej emisji. W przyszłości kryształy oddechowe mogą zapewnić tym produktom większą stabilność i potencjał redoks.

Inteligentne urządzenia termiczne

Zagłębiając się w implikacje tej technologii, łatwo zauważyć, że prace te mogą pomóc w zasilaniu inteligentnych urządzeń termicznych. Urządzenia te mogą automatycznie wykrywać zmiany temperatury i dostosowywać się do nich, aby zapewnić wydajność w trudnych warunkach. Na przykład, wyobraź sobie zaawansowane płytki komputerowe, które doskonale radzą sobie ze zużyciem termicznym.

Oś czasu kryształów oddechowych

Minie około 7-10 lat, zanim ta technologia trafi na rynek. Szybsza integracja z sektorem zielonej energii mogłaby nastąpić, ponieważ cieszy się ona silnym poparciem międzynarodowym, a ONZ dąży do osiągnięcia zerowej emisji dwutlenku węgla netto w nadchodzących dekadach.

Naukowcy zajmujący się kryształami oddechowymi

Badania nad kryształami oddechowymi przeprowadzono na Uniwersytecie Narodowym w Pusan ​​w Korei oraz na Uniwersytecie Hokkaido w Japonii. Głównymi autorami artykułu są profesor Hyoungjeen Jeen i profesor Hiromichi Ohta. Pomagali im Joonhyuk Lee, Yu-Seong Seo, Krishna Chaitanya Pitike, Gowoon Kim, Sangkyun Ryu, Hyeyun Chung, Su Ryang Park, Sangmoon Yoon, Younghak Kim i Valentino R. Cooper.

Badania nad kryształami oddechowymi uzyskały wsparcie finansowe i materialne od Instytutu Badań Nauk Elektronicznych Uniwersytetu Hokkaido w Japonii oraz grant Narodowej Fundacji Badań Naukowych Korei (NRF) finansowany przez rząd Korei.

Przyszłość kryształów oddechowych

Przyszłość badań nad kryształami oddechowymi rysuje się w jasnych barwach. Istnieje duże zapotrzebowanie na te materiały, ponieważ są one niezbędne do rozwoju wielu branż zaawansowanych technologii, w tym informatyki i lotnictwa. Inżynierowie zauważyli, że ich praca otwiera drzwi do nowej przestrzeni fazowej dla programowalnych materiałów z niedoborem tlenu.

Inwestowanie w nauki materiałowe

W sektorze materiałoznawstwa działa wiele firm. Ci producenci tworzą zaawansowane technologicznie materiały, które zapewniają płynne działanie komputerów, satelitów na niebie i wiele więcej. Oto jedna z firm, która pozostała innowacyjna i przyczyniła się do rozwoju nauki o materiałach nowej generacji.

JinkoSolar

JinkoSolar (JKS ) jest wiodącym dostawcą wysokowydajnych paneli fotowoltaicznych, płytek krzemowych i wlewków, systemów magazynowania energii oraz zaawansowanych materiałów, takich jak mikrokrystaliczny krzem fotowoltaiczny. Firma weszła na rynek w 2006 roku i ma siedzibę w Chinach.

Założyciele firmy, Li Xiande, Kangping Chen i Xianhua Li, dążyli do wprowadzenia na rynek bardziej wydajnych i odpornych rozwiązań w zakresie energii słonecznej. Co godne uwagi, firma odniosła natychmiastowy sukces i w 2010 roku była notowana na nowojorskiej giełdzie.

JinkoSolar nadal dąży do wprowadzenia na rynek mocniejszych paneli słonecznych, co przyniosło znaczące ulepszenia, począwszy od wprowadzenia w 700 roku serii Tiger Pro oraz serii ultrawysokiej mocy 2021 W+. Obecnie firma jest liderem w branży, działającym w Chinach, Stanach Zjednoczonych, Azji Południowo-Wschodniej i na Bliskim Wschodzie. Osoby poszukujące renomowanych akcji, które zapewniają ekspozycję na kilka sektorów zaawansowanych technologii, powinny dokładniej przeanalizować akcje JinkoSolar.

Najnowsze wiadomości i wydarzenia dotyczące akcji JinkoSolar (JKS)

Badanie kryształów oddechowych | Wnioski

Badania nad kryształami oddechowymi otwierają drogę do bardziej zaawansowanych badań materiałoznawczych. Unikalne podejście zespołu pozwala obniżyć koszty i poprawić wydajność. Pokazuje również, jak drobne zmiany mogą prowadzić do znaczących usprawnień w przypadku TMO. Teraz zespół będzie dążył do rozszerzenia swoich prac i nawiązania partnerstw przemysłowych, aby wprowadzić swoje odkrycie na rynek.

Tutaj dowiesz się więcej o innych przełomowych odkryciach w dziedzinie nauki o materiałach.

Referencje:

^{1. Lee, J., Seo, YS., Pitike, KC i in. Selektywna redukcja epitaksjalnego SrFe_0.5Co_0.5O_2.5 i jego odwracalność. Nat Commun 16, 7391 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62612-1}