أنماط النانو تجعل السلطة تحت السيطرة

أكسيد الكوبالت الصوديوم كمادة مثالية لبطاريات الكمبيوتر المحمول ، كمبرد أو موصل فائق

هيكل طبقة أكسيد الكوبالت الصوديوم (الصوديوم = الأزرق والأحمر) © Hahn-Meitner-Institut
قراءة بصوت عال

يمكن لنمط ذرات الصوديوم المنتظم أن يجعل أكسيد الصوديوم المركب من المواد المثالية لبطاريات الكمبيوتر المحمول أو المبردات الفعالة أو الموصلات الفائقة. لقد نجح العلماء الآن في تكوين عازل ومن ثم موصل فائق من المادة المعدنية في البداية. وبالتالي ، يتم توفير شروط الاستخدام كمورد للكهرباء ، كما أبلغ الباحثون الآن في مجلة "Nature".

على المستوى الذري ، يكون لأكسيد الصوديوم بالكوبالت (NaxCoO) بنية تتناوب فيها طبقات أكسيد الكوبالت مع تلك الموجودة في ذرات الصوديوم. يتم ترتيب ذرات الصوديوم في أنماط منتظمة ، وبالتالي تحديد الخصائص الكهربائية للمادة. على سبيل المثال ، إذا كانت ذرات الصوديوم متباعدة ، يمكن لكل ذرة أن تحبس الإلكترونات وتعيق تدفق التيار - تصبح المادة عازلة. من ناحية أخرى ، عندما يتم ترتيب الذرات في صفوف ، فإنها تتصرف مثل الأسلاك ، مما يسمح للتيار بالتدفق على طول اتجاه واحد.

يحدد الترتيب الخصائص

يوضح البروفيسور آلان تينانت ، من معهد هان مايتنر في برلين ، حيث تأتي فكرة العمل: "إن الإلكترونات المسؤولة عن التدفق الحالي تتصرف مثل الأمواج ، وترغب في ضبط طولها الموجي إلى بنية خارجية منتظمة تحدد الكثافة الدقيقة لذرات الصوديوم ترتيبها الهندسي ، ويمكن للمرء أن يؤثر على الإلكترونات عن طريق التركيب الكيميائي. وعندما يتم توزيع ذرات الصوديوم بشكل عشوائي ، فإن التغييرات الطفيفة في التركيبة بالكاد ستغير التيار في المادة. " يؤكد آلان تينانت على أن النتائج ذات قيمة تكنولوجية للغاية ، لأن "قدرتنا على التحكم في تدفق الإلكترونات أكثر دقة تجعل التقدم السريع في تكنولوجيا المعلومات والاتصالات ممكنًا".

أحدثت البطاريات ذات الحالة الصلبة المحسنة ثورة في أجهزة iPod والهواتف المحمولة والأجهزة الإلكترونية المحمولة الأخرى بشكل خاص. بطاريات الكمبيوتر المحمول اليوم مصنوعة من أكسيد الكوبالت الليثيوم - مادة تشبه إلى حد بعيد أكسيد الكوبالت الصوديوم. وهي مشحونة عن طريق تغيير تركيز ذرات الليثيوم. يقول تينانت: "نعلم أن ذرات الليثيوم مرتبة أيضًا في أنماط منتظمة ، ويجب أن تتصرف بشكل مثير مثل مركبات الصوديوم".

ترتيب ذرات الصوديوم (الأحمر والأزرق) في أكسيد الكوبالت الصوديوم © Hahn-Meitner-Institut

أنماط التبريد

يمكن أن يكون أكسيد الكوبالت الصوديوم أيضًا أساسًا لأنظمة تبريد حرارية فعالة لأنها واحدة من المواد القليلة التي تفي بالشروط اللازمة: إنها توصل الحرارة بشكل سيئ ، لكنها موصل جيد للكهرباء. يمكن توضيح سبب ذلك من خلال البنية الموضحة: ذرات الصوديوم ذات العلامات الحمراء محاصرة في "أقفاص" تتشكل من ذرات ذات علامة زرقاء. عرض

يمكن أن تتأرجح في هذه "الأقفاص" ، وبالتالي تمتص جزءًا كبيرًا من الحرارة التي تنتقل عبر المادة دون أن تثير في الوقت نفسه التيار الكهربائي في التدفق. رن. يمكن أن تفتح المواد الكهربائية الحرارية الجديدة الطريق أمام عمليات تبريد أكثر كفاءة وبالتالي تساعد في توليد الكهرباء من الطاقة الحرارية الأرضية أو الماء الساخن المنتج في محطات الطاقة العادية.

ذرات الصوديوم في "قرص العسل"

وجد الباحثون العديد من أنماط الصوديوم لتركيزات الصوديوم المختلفة. لفهم كيف تنشأ هذه ، يمكن للمرء أن يتخيل الذرات والرخام. يتم ترتيب ذرات الأكسجين في نمط قرص العسل مع ذرات الصوديوم في الآبار التي تتشكل بينهما. نظرًا لأن ذرات الصوديوم كبيرة جدًا ، فلا يمكن أن توضع اثنتان منها في آبار مجاورة ، بحيث يتم احتواء تركيز الصوديوم في كل بئر بحد أقصى. هذا يخلق نوعين من مواقف الصوديوم المحتملة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن ذرات الصوديوم تتصدى لبعضها البعض ، لذلك تحاول أن تكون متباعدة قدر الإمكان. الهيكل الفعلي يعكس أفضل ترتيب بتركيز معين يلبي هذه المتطلبات.

تم توفير البيانات التجريبية اللازمة لتوضيح هياكل الصوديوم من خلال التجارب الإشعاعية النيوترونية والسينكروترونية في معهد هان-مايتنر برلين وروثرفورد أبليتون لابورتوري في المملكة المتحدة. باستخدام الحاسوب العملاق MAP2 ، والذي يستخدم عادة في جامعة ليفربول لإجراء العمليات الحسابية في فيزياء الجسيمات الأولية ، تمكن العلماء بعد ذلك من فك تشفير أنماط الصوديوم.

شارك في هذا التعاون الأوروبي باحثون من جامعتي أكسفورد وبريستول ومصدر إشعاع السنكروترون في برلين ومصدر إشعاع السنكروترون الأوروبي ESRF.

(هان-مايتنر-معهد برلين ، 08.02.2007 - NPO)