گروهی از دانشمندان آمریکایی روشی برای سالم نگهداشتن الگوهای مورد استفاده در خودآرایی ذرات نانومقیاس پیدا کرده‌اند. در این کار تنها از یک نمک استفاده می‌شود.
استفاده از نمک در سنتز نانوذرات یکنواخت
مشکلی که در سنتز مواد مورد استفاده در باتری‌های با چگالی انرژی بالا وجود
دارد، ماده بستر است. در طول فرایند سنتز، الگوی مورد استفاده در خودآرایی
ذرات نانومقیاس از هم گسیخته شده و خوشه‌های اکسید فلزی نامنظمی تولید می‌شوند.
حال دانشمندان آزمایشگاه ملی پاسیفیک نورث وست (PNNL) روشی برای سالم
نگهداشتن این الگوها پیدا کرده‌اند. در این کار تنها از یک نمک استفاده می‌شود.
باتری‌های با چگالی انرژی بالا نیاز به ساختارهای نانومقیاس خاصی دارند و
متأسفانه طراحی این مواد به روش آزمون و خطا صورت می‌گیرد. دانشمندان ترجیح
می‌دهند که بسترهای سنتز را طراحی کرده، مواد اولیه را با یکدیگر مخلوط
کرده و اجازه دهند که فرایند خودآرایی به‌صورت خودبه‌خود صورت گیرد. مشکل
این است که بسترهای تولید شده دوام زیادی ندارند. با استفاده از نتایج این
کار می‌توان ذرات یکسانی تولید کرده و سپس آنها را به شکل الکترودهای باتری‌ها
آرایش داد.
ماریا سوشکو یکی از متخصصان مواد در PNNL می‌گوید: «در این تحقیق اطلاعات مورد نیاز
برای تولید مواد کاملاً منظم با کیفیت بسیار بالا که می‌توانند به‌عنوان الکترود
باتری‌های یون لیتیومی و همچنین در تولید نسل جدید باتری‌های لیتیوم-هوا به‌کار
روند، فراهم شده است.
محققان PNNL ابتدا روی پایداری خودآرایی نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم و اکسیدهای
فلزی دیگر بررسی‌های تئوریک انجام دادند. در این کار از روش cDFT استفاده شد.
آنها بستر مورد نظر را که از دو بخش تشکیل شده بود، مطالعه کردند. لایه اول و پایه‌ای
این بستر از گرافن رسانای منظم تشکیل می‌شود و جزء دوم یک ماده فعال سطحی است. هر
مولکول ماده فعال سطحی از دو بخش سر و دم تشکیل شده است. سر مولکول آبگریز بوده و
به گرافن متصل می‌شود. دم آن آبدوست است و با محلول حاوی اجزای مورد نیاز برای
تشکیل نانوذرات اکسید فلزی برهمکنش می‌کند. این ماده فعال سطحی برجستگی های کوچکی
روی سطح گرافن ایجاد می‌کند که به‌عنوان بستری برای رشد نانوذرات عمل می‌کنند.
سوشکو می‌گوید: «اگر ماده فعال سطحی ساختار پایداری ایجاد نکند، کل ساختار از هم
جدا می‌شود».
این دانشمندان دریافتند که کلید تولید یک بستر پایدار، افزودن یک نمک، مخصوصاً یک
نمک با کاتیون‌های دو ظرفیتی و آنیون‌های یک ظرفیتی است. سپس آنها از این نتایج
برای پیش‌بینی چگونگی رشد نانوذرات روی این بستر بهره بردند. آنها دریافتند که این
ذرات در گودی بین برجستگی‌های نیم‌کروی رشد می‌کنند. اگر رشد ذرات خارج از این گودی
صورت گیرد، برجستگی‌های بستر از بین رفته و هموار می‌شود؛ در این صورت ذرات به شکل
بی‌نظم رشد کرده و خوشه‌های ذره‌ای را تشکیل می‌دهند.
جزئیات این کار در Journal of Physical Chemistry B منتشر شده است.
