Gli ioni cavalcano le onde

"Gli ioni sono i nuovi elettroni e la ionica è l'elettronica del futuro", afferma Jennifer Rupp, professoressa di materiali elettrochimici all'ETH di Zurigo, riassumendo il suo campo di ricerca. Rupp e il suo gruppo producono materiali ceramici in grado di condurre molto rapidamente atomi carichi (ioni) come l'ossigeno o gli ioni di litio. Le proprietà elettrochimiche di questi materiali sono già utilizzate oggi, ad esempio nelle sonde lambda delle marmitte catalitiche delle automobili o nelle celle a combustibile a ossido solido. L'ETH è convinto che l'importanza industriale di questi materiali aumenterà in modo significativo, ad esempio per i sensori di gas, per nuove classi di dispositivi di archiviazione dati e circuiti informatici o per convertire l'energia chimica in energia elettrica e viceversa.

Secondo Rupp, una delle domande di ricerca più importanti nel suo campo è come questi materiali, che di solito hanno la forma di membrane sottili, possano essere ottimizzati in modo che gli ioni possano muoversi più velocemente al loro interno. In uno studio appena pubblicato sulla rivista "Nature Materials", alcuni dottorandi del suo gruppo hanno dimostrato che il trasporto di ioni dipende molto dal modo in cui queste membrane sono tese. Sono anche riusciti a controllare in modo specifico la tensione delle membrane, cosa importante per lo sviluppo di future applicazioni tecniche.

Membrana libera

Per il loro studio, gli scienziati hanno lavorato con uno strato di ceramica molto sottile, in particolare con ossido di cerio drogato con gadolinio. "Si tratta di uno dei conduttori ionici più comunemente utilizzati nell'industria", spiega il dottorando del Politecnico Sebastian Schweiger.

Nei precedenti lavori di ricerca in questo campo, il materiale è stato studiato soprattutto come film sottile su un substrato di silicio. Tuttavia, Yanuo Shi, altro dottorando del gruppo di Rupp e primo autore dell'articolo ora pubblicato, ha creato una membrana indipendente dal materiale incidendo il substrato sotto il sottile strato di ceramica. La membrana non è rimasta piatta, ma si è arricciata perché le sollecitazioni interne dello strato sono cambiate durante l'incisione. Shi ha attaccato microelettrodi a piccoli pezzi di queste membrane, producendo così minuscoli componenti che possono essere usati per generare elettricità dall'idrogeno o da composti organici e dall'ossigeno dell'aria.

Gli elettrodi influenzano l'andamento delle onde

I ricercatori sono riusciti a dimostrare che la disposizione degli elettrodi influenza il modello di onde della membrana ceramica e la struttura del materiale a livello atomico. Questo, a sua volta, influenza fortemente la conduttività della membrana per gli ioni di ossigeno. Gli scienziati sono riusciti a descrivere questo effetto in dettaglio. "Per la prima volta, siamo in grado di controllare in modo specifico il modello d'onda e la conduttività ionica di queste membrane", afferma Alexander Bork, un altro dottorando coinvolto nel lavoro.

Negli ultimi decenni, gli scienziati hanno cercato di modificare la conduttività di questi conduttori ionici "contaminando" deliberatamente il materiale con alcuni atomi estranei - in termini tecnici: drogando. I ricercatori dell'ETH hanno ora dimostrato che la conduttività può essere influenzata molto più fortemente controllando il modello d'onda e la deformazione che non il drogaggio.

"In esperimenti precedenti, gli scienziati hanno già notato che la produzione di energia nelle celle a combustibile a ossidi solidi varia notevolmente a seconda della struttura di tali celle. Ora abbiamo trovato una possibile spiegazione a questo comportamento nell'esperimento con il tensionamento del conduttore ionico", dice Rupp. ? ora possibile ottimizzare in modo specifico le membrane a conduzione ionica. Ciò favorirà lo sviluppo di futuri sensori di gas, dispositivi di archiviazione dati basati sugli ioni e i cosiddetti micro-convertitori di energia, come le celle a combustibile, e forse un'intera gamma di applicazioni ancora sconosciute nel promettente campo della ionica.