מחקר חדש מאוניברסיטת טוקיו מציע נוסחה פשוטה אך יעילה לחיזוי היציבות של חומרים משולבים, המפתח לאלקטרוניקה וסוללות מהדור הבא. פריצת דרך זו עשויה להפחית משמעותית את זמן המו"פ והעלויות, ולהאיץ את הגעתן של טכנולוגיות חדשניות לשוק.
הביצועים של טכנולוגיות מתקדמות רבות, החל מסוללות ליתיום-יון ועד לגל הבא של מוליכים-על, תלויים במאפיין פיזי הנקרא אינטרקלציה. חיזוי אילו חומרים משולבים יהיו יציבים מהווה אתגר משמעותי, המוביל לניסויים נרחבים של ניסוי וטעייה בפיתוח מוצרים חדשים.
כעת, במחקר שפורסם לאחרונה ב ACS Physical Chemistry Au, חוקרים מהמכון למדעי התעשייה, אוניברסיטת טוקיו ושותפים בשיתוף פעולה המציאו משוואה פשוטה המנבאת נכונה את היציבות של חומרים משולבים. הנחיות התכנון השיטתיות המאפשרות עבודה זו יזרזו את הפיתוח של התקני אלקטרוניקה ואחסון אנרגיה עתירי ביצועים עתידיים.
הבנת המחקר וההקשר שלו
כדי להעריך את ההישג של צוות המחקר, עלינו להבין את ההקשר של מחקר זה. אינטרקלציה היא החדרה הפיכה של אורחים (אטומים או מולקולות) למארחים (לדוגמה, חומרים דו-ממדיים). מטרת האינטרקלציה היא בדרך כלל לשנות את המאפיינים או המבנה של המארח לשיפור ביצועי המכשיר, כפי שניתן לראות, למשל, בסוללות ליתיום-יון מסחריות. למרות ששיטות סינתטיות רבות זמינות להכנת חומרים משולבים, לחוקרים לא היה אמצעי מהימן לחזות אילו שילובי מארח-אורח הם יציבים. לכן, נדרשה עבודת מעבדה רבה כדי לתכנן חומרים משולבים חדשים להקניית פונקציונליות של מכשירים מהדור הבא. מזעור עבודת מעבדה זו על ידי הצעת כלי חיזוי פשוט ליציבות מארח-אורח הייתה מטרת המחקר של צוות המחקר.
חוקרים מהמכון למדעי התעשייה, אוניברסיטת טוקיו ושותפי שיתוף פעולה יצרו קווים מנחים לתכנון חומרים משולבים, שיאיצו את המחקר על אגירת אנרגיה, אלקטרוניקה ועוד. קרדיט: המכון למדעי התעשייה, אוניברסיטת טוקיו
"אנחנו הראשונים לפתח כלים חיזויים מדויקים עבור אנרגיות אינטרקלציה מארח-אורח, ויציבות של תרכובות משולבות", מסביר נאוטו קוואגוצ'י, המחבר הראשי של המחקר. "הניתוח שלנו, המבוסס על מסד נתונים של 9,000 תרכובות, משתמש בעקרונות פשוטים מהכימיה של השנה הראשונה לתואר ראשון."
גולת הכותרת של העבודה היא שרק שני נכסי אורח ושמונה מתארים שנגזרו מארח היו נחוצים לחישובי האנרגיה והיציבות של החוקרים. במילים אחרות, ה'ניחושים הטובים ביותר' לא היו הכרחיים; רק הפיזיקה הבסיסית של המערכות המארח-אורח. יתר על כן, החוקרים אימתו את המודל שלהם כנגד כמעט 200 קבוצות של מקדמי רגרסיה.
"אנחנו נרגשים כי ניסוח מודל הרגרסיה שלנו פשוט והגיוני מבחינה פיזית", אומר Teruyasu Mizoguchi, מחבר בכיר. "למודלים חישוביים אחרים בספרות אין בסיס פיזי או אימות כנגד תרכובות משולבות לא ידועות."
עבודה זו היא צעד חשוב קדימה במזעור עבודת המעבדה המפרכת שנדרשת בדרך כלל להכנת חומרים משולבים. בהתחשב בכך שרבים מהמכשירים האלקטרוניים והאחסון האנרגיה הנוכחיים והבאים תלויים בחומרים כאלה, הזמן וההוצאות הנדרשים למחקר ופיתוח תואמים יצטמצמו למינימום. כתוצאה מכך, מוצרים בעלי פונקציונליות מתקדמות יגיעו לשוק מהר יותר ממה שהיה אפשרי בעבר.
