Newswise – حالت جامد باتری ها با فشار دادن یون ها بین دو الکترود، بار را ذخیره و آزاد می کند. از دیدگاه معمول ما، یون ها از طریق الکترولیت جامد باتری به عنوان یک جت نور جریان می یابند.
اما وقتی در مقیاس اتمی دیده می‌شود، این جریان صاف یک توهم است: یون‌های منفرد به طور آشفته از یک فضای باز به فضای دیگر در داخل شبکه اتمی جادار الکترولیت می‌پرند و با یک ولتاژ ثابت به سمت الکترود رانده می‌شوند. پیش‌بینی این سنبله‌ها دشوار است و راه‌اندازی و شناسایی آن چالش برانگیز است.
اکنون، در اولین مطالعه در نوع خود، محققان با برخورد پالس نور لیزر به یون‌های پرش شوک ولتاژی وارد کرده‌اند. در کمال تعجب، اکثر یون ها برای مدت کوتاهی مسیر خود را معکوس کردند و قبل از از سرگیری سفرهای معمولی و تصادفی خود، به موقعیت های قبلی خود بازگشتند. این اولین نشانه ای بود که نشان می داد یون ها به نوعی به یاد می آورند که چندی پیش کجا بوده اند.
تیم تحقیقاتی از آزمایشگاه شتاب دهنده ملی SLAC، دانشگاه استنفورد، دانشگاه آکسفورد و دانشگاه نیوکاسل در وزارت انرژی شرح داده شده آنچه آنها در شماره 24 ژانویه یافتند طبیعت.
نشاسته ذرت الکترونیکی
آندری دی. پولتایف، دانشجوی فوق دکتری در آکسفورد که در انجام این آزمایش در زمانی که او در مقطع فوق دکتری در SLAC بود، گفت: «می‌توانید یون‌ها را مانند مخلوطی از نشاسته ذرت و آب در نظر بگیرید». «اگر این مخلوط نشاسته ذرت را به آرامی فشار دهیم، مانند مایع حاصل می شود. اما اگر به آن ضربه بزنیم سخت می شود. یون های موجود در باتری مانند نشاسته ذرت الکترونیکی هستند. آنها با حرکت به سمت عقب در برابر لرزش شدید نور لیزر مقاومت می کنند.
همانطور که پولتایف می گوید، «حافظه فازی» یون ها تنها چند میلیاردم ثانیه دوام می آورد. اما دانستن وجود آن به دانشمندان کمک می‌کند تا برای اولین بار پیش‌بینی کنند که یون‌های در حال حرکت چه کاری انجام خواهند داد – یک نکته مهم برای کشف و توسعه مواد جدید.
الکترولیت طراحی شده برای سرعت
محققان برای آزمایشات خود در آزمایشگاه لیزر SLAC از کریستال های نازک و شفاف یک الکترولیت جامد از خانواده ای از مواد به نام بتا آلومینا استفاده کردند. این مواد اولین الکترولیت های بسیار رسانا هستند که کشف شده اند. آنها حاوی کانال های کوچکی هستند که یون های پرش می توانند به سرعت حرکت کنند و از مزیت ایمن تر بودن نسبت به الکترولیت های مایع برخوردار هستند. بتا آلومینا در حالت جامد استفاده می شود باتری هاسدیم-گوگرد باتری ها و سلول های الکتروشیمیایی
هنگامی که یون‌ها از کانال‌های بتا آلومینا عبور می‌کردند، محققان با پالس‌هایی از نور لیزر به طول تنها تریلیونم ثانیه به آنها برخورد کردند و سپس نور برگشتی از الکترولیت را اندازه‌گیری کردند.
با تغییر زمان بین پالس لیزر و اندازه‌گیری، آنها توانستند دقیقاً تعیین کنند که سرعت و جهت ترجیحی یون‌ها در چند تریلیونم ثانیه پس از برخورد لیزر چگونه تغییر می‌کند.
عجیب و غیرعادی
آرون لیندنبرگ، پروفسور SLAC و استاد دانشگاه استنفورد، محقق مؤسسه علوم مواد و انرژی استنفورد، می‌گوید: «چیزهای عجیب و غریب و غیرمعمول زیادی در فرآیند پرش یون اتفاق می‌افتد».SIMES) که مطالعه را رهبری کرد.
او گفت: “وقتی نیرویی را اعمال می کنیم که الکترولیت را تکان می دهد، یون بلافاصله مانند اکثر مواد پاسخ نمی دهد.” یون می تواند برای مدتی در آنجا بماند، ناگهان بپرد، سپس دوباره برای مدتی در آنجا بماند. ممکن است مجبور شوید مدتی صبر کنید و ناگهان تغییر بزرگی ایجاد شود. بنابراین یک عنصر تصادفی در این فرآیند وجود دارد که این آزمایش ها را دشوار می کند.”
به گفته محققان، تا به حال تصور می‌شد که نحوه حرکت یون‌ها یک «راه رفتن تصادفی» کلاسیک است: آنها مانند یک فرد مستی که در پیاده‌رو تلوتلو می‌خورد، ضربه می‌زنند، ضربه می‌خورند و می‌کوبند، اما در نهایت به راهی می‌رسند که ممکن است به نظر برسد. عمدی برای یک ناظر یا به یک اسکنک فکر کنید که یک اسپری بدبو را در اتاقی پر از مردم رها می کند. مولکول های اسپری به طور تصادفی تکان می خورند و با هم برخورد می کنند، اما خیلی سریع به بینی شما می رسند.
پولتایف گفت، در مورد یون های پرش، «این تصویر در مقیاس اتمی اشتباه است، اما این تقصیر افرادی نیست که به این نتیجه رسیدند. فقط این است که محققان برای مدت طولانی در حال مطالعه انتقال یون با ابزارهای ماکروسکوپی بوده اند و نتوانسته اند آنچه را که در این مطالعه دیدیم مشاهده کنند.
او گفت که اکتشافات در مقیاس اتمی که در اینجا انجام شده است، به پر کردن شکاف بین حرکات اتمی که می‌توانیم در رایانه مدل‌سازی کنیم و ویژگی‌های ماکروسکوپی موادی که تحقیقات ما را بسیار پیچیده کرده است، کمک می‌کند.
ماتیاس اس. هافمن، دانشمند اصلی در بخش علوم و فناوری لیزر منبع نور منسجم Linac (LCLS) SLAC، دستگاه لیزر مورد استفاده در این آزمایش‌ها را ساخت. بودجه عمده این مطالعه از سوی دفتر علوم DOE تامین شد.
———————————————— ————————————
SLAC یک آزمایشگاه چند برنامه ای پر جنب و جوش است که به بررسی نحوه عملکرد جهان در بزرگترین، کوچک ترین و سریع ترین مقیاس می پردازد و ابزارهای قدرتمندی را اختراع می کند که توسط دانشمندان در سراسر جهان استفاده می شود. با تحقیقاتی که در زمینه فیزیک ذرات، اخترفیزیک و کیهان‌شناسی، مواد، شیمی، علوم زیستی و انرژی، و محاسبات علمی انجام می‌شود، ما به حل مشکلات دنیای واقعی و پیشبرد منافع کشور کمک می‌کنیم.
SLAC توسط دانشگاه استنفورد اداره می شود دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند.
