Kryształ naśladujący oddech. Szalona koncepcja naprawdę działa
Nowy materiał o wzorze chemicznym SrFe0.5Co0.5O2.5 – zawierający stront, żelazo i kobalt – zachowuje się jak biologiczny układ oddechowy. Kluczową rolę odgrywa tu żelazo, które zapewnia stabilność strukturalną podczas cykli tlenowych. Hyoungjeen Jeen, naukowiec zaangażowany w ostatnie badania, porównuje to do sytuacji, w której wszczepiamy kryształowi płuca, dzięki którym może wdychać i wydychać tlen na zawołanie. W przeciwieństwie do wcześniejszych prób, ten związek wykazuje pełną odwracalność procesów bez degradacji. Stabilność podczas powtarzalnych cykli to zasadnicza różnica wobec wcześniejszych materiałów jednokationowych.
Czytaj też: Paliwo jądrowe najnowszej generacji. Tak Amerykanie realizują plan Trumpa
Mechanizm działania polega na selektywnej redukcji jonów kobaltu przy jednoczesnym utrzymaniu struktury żelaza. Analizy spektroskopowe wykazały przesunięcie krawędzi absorpcji o 1,65 eV, co odpowiada zmianie wartościowości kobaltu.
To odkrycie jest uderzające z dwóch powodów: redukcji ulegają tylko jony kobaltu, a proces prowadzi do powstania całkowicie nowej, ale stabilnej struktury krystalicznej — wyjaśnia prof. Hyoungjeen Jeen
Podczas redukcji wakansy tlenowe tworzą się preferencyjnie w pozycjach tetraedrycznych. Ta unikalna organizacja molekularna umożliwia kontrolowany proces “oddychania”. Kryształ płynnie przechodzi między trzema stanami. Po uwolnieniu tlenu występuje uboga w tlen defektywna faza perowskitowa. W grę wchodzi również stan pośredni, wraz z trzecim, bogatym w tlen, występującym po absorpcji tlenu. Przemiany te można kontrolować w czasie rzeczywistym poprzez modyfikację warunków otoczenia, co stwarza perspektywy dla materiałów reagujących na środowisko.
Perspektywy zastosowań. Jak wykorzystać ten przełom w praktyce?
Redukcja materiału wywołuje spektakularne metamorfozy. Przerwa energetyczna wzrasta z 2,47 eV do 3,04 eV, czemu towarzyszy wyraźny wzrost przezroczystości. Jednocześnie materiał przekształca się w izolator elektryczny. Ta korelacja między przezroczystością optyczną a przewodnictwem elektrycznym może znaleźć zastosowanie w inteligentnych urządzeniach optycznych. Potencjał nowego materiału wykracza poza laboratorium. Precyzyjna kontrola uwalniania tlenu może usprawnić działanie ogniw paliwowych, gdzie dokładne dozowanie jest kluczowe. Nie dziwią więc sugestie, jakoby możliwa była zmiana sposobu, w jaki rozwijamy technologie czystej energii, takie jak ogniwa paliwowe, okna energooszczędne i inteligentne urządzenia termiczne.
Czytaj też: Tego jeszcze nie było. Naukowcy po raz pierwszy dostrzegli elektrolit w bateriach litowo-siarkowych
Takie inteligentne szyby mogłyby zmieniać swoją przejrzystość w odpowiedzi na warunki, podczas gdy urządzenia termiczne reagowałyby na zmianę temperatury otoczenia. W przypadku ekologicznych materiałów budowlanych możliwe byłoby oczyszczanie powietrza, a nie można też wykluczyć wykorzystania nowej technologii na potrzeby projektowania czujników tlenu następnej generacji. Dostęp do inteligentnych materiałów, które mogą dostosowywać się w czasie rzeczywistym byłoby istnym przełomem. Działanie w umiarkowanych temperaturach to istotna przewaga nad wcześniejszymi rozwiązaniami wymagającymi ekstremalnych warunków. W ogólnym rozrachunku odkrycie może zapoczątkować erę adaptacyjnych materiałów. Kolejne badania skupią się na optymalizacji produkcji i testowaniu długoterminowej trwałości w różnych warunkach eksploatacyjnych.