L'appartement est dans l'oeil du spectateur. Quand vous parlez de nanomatériaux, cependant, cet œil est à peu près inutile à moins qu'il ne regarde à travers un microscope électronique ou une visualisation par ordinateur. Pourtant, les creux et les crêtes sur une surface apparemment plate - si petites qu'ils sont invisibles sans de tels outils - peuvent conférer au matériau des capacités étonnantes. L'astuce pour les chercheurs intéressés à tirer parti de ces capacités réside dans la compréhension et, finalement, prédire comment la topographie microscopique d'une surface peut se traduire par des technologies transformatrices.

Yury Gogotsi et ses collègues de l'Université Drexel avaient récemment besoin d'une vue atomique d'un matériau de supercondensateur prometteur pour trier des résultats expérimentaux passionnants mais qui semblaient illogiques. Ce point de vue a été fourni par une équipe de recherche dirigée par les chimistes computationnels du Oak Ridge National Laboratory (ORNL) Bobby Sumpter et Jingsong Huang et le physicien computationnel Vincent Meunier.

L'équipe de Gogotsi a découvert qu'il était possible d'augmenter considérablement l'énergie stockée dans un supercondensateur au carbone en réduisant les pores du matériau à une taille apparemment impossible, apparemment impossible car les pores étaient plus petits que les porteurs de charge électriques recouverts de solvant qui étaient censés s'y glisser. L'équipe a publié ses conclusions dans la revue Science .

Le mystère n'était pas simplement académique. Les condensateurs sont une technologie importante qui fournit de l'énergie en maintenant une charge électrique. Elles présentent plusieurs avantages par rapport aux batteries traditionnelles :elles se chargent et se déchargent presque instantanément et se rechargent encore et encore, presque indéfiniment, sans s'user - mais ils ont aussi des inconvénients - le plus important, ils contiennent beaucoup moins d'énergie.

Un condensateur électrique à double couche, ou supercondensateur, représente une avancée sur la technologie qui permet une densité d'énergie beaucoup plus grande. Alors que dans les condensateurs traditionnels, deux plaques métalliques sont séparées par un matériau non conducteur appelé diélectrique, dans un supercondensateur, un électrolyte est capable de former une double couche électrique avec des matériaux d'électrode qui ont des surfaces très élevées.

En tant que tel, les supercondensateurs sont capables d'obtenir le même effet dans un seul matériau, car les propriétés du matériau le divisent en couches séparées avec un très mince, frontière non conductrice. Parce qu'ils peuvent à la fois renoncer à une couche diélectrique volumineuse et utiliser les pores nanométriques du carbone, les supercondensateurs sont capables de stocker beaucoup plus d'énergie que leurs homologues traditionnels dans un volume donné. Cette technologie pourrait contribuer à augmenter la valeur des sources d'énergie qui sont propres, mais sporadique, la distribution de l'énergie stockée pendant les temps d'arrêt comme la nuit pour une cellule solaire ou les jours calmes pour une éolienne.

La découverte de Gogotsi était donc potentiellement révolutionnaire. L'énergie était stockée sous forme d'ions dans un électrolyte, avec les ions entourés de coquilles de molécules de solvant et entassés à la surface de carbones nanoporeux. Les chercheurs ont pu contrôler la taille des pores dans le matériau carboné, ce qui les rend de 0,7 à 2,7 nanomètres. Ce qu'ils ont découvert, c'est que l'énergie stockée dans le matériau augmentait considérablement à mesure que les pores devenaient plus petits qu'un nanomètre, même si les ions dans leurs coquilles de solvatation ne pouvaient pas entrer dans des espaces aussi petits.

"C'était un mystère, " a déclaré Sumpter. "Beaucoup de gens ont remis en question le résultat à l'époque. Pourtant, les données expérimentales montraient une augmentation incroyable de la capacité. »

Heureusement, c'était un mystère que l'équipe ORNL pouvait élucider.

"Nous pensions que c'était un cas parfait pour la modélisation informatique car nous pourrions certainement simuler des pores de la taille du nanomètre, " a déclaré Sumpter. "Nous avions des capacités de structure électronique qui pourraient bien le traiter, c'était donc un très bon problème à explorer pour nous."

En utilisant les supercalculateurs Jaguar et Eugene de l'ORNL, Sumpter et son équipe ont pu examiner à l'échelle nanométrique l'interaction entre les ions et la surface du carbone. Une technique de calcul connue sous le nom de théorie fonctionnelle de la densité leur a permis de montrer que le phénomène observé par Gogotsi était loin d'être impossible. En réalité, ils ont découvert que l'ion sort assez facilement de sa coquille de solvatation et s'insère dans le pore à l'échelle nanométrique.

"Ça va de telle manière qu'il se dissout dans la masse pour entrer à l'intérieur car il y a un potentiel électrostatique et les forces de van der Waals qui l'attirent, " Sumpter a expliqué. " Il y a beaucoup de forces différentes impliquées, mais en fait, c'est très facile pour lui d'entrer.

L'équipe ORNL et ses collègues de l'Université de Clemson, Université Drexel, et Georgia Tech ont détaillé leurs conclusions dans une série de publications, comprenant Angewandte Chemie , Chimie-Un Journal Européen , ACS Nano , Journal de physique chimique C , Chimie Physique Physique Chimique , Journal de recherche sur les matériaux , et nano Des lettres .

"En outre, " Sumpter a noté, "les bosses et les bosses microscopiques sur une plaque de carbone font une différence dramatique dans la quantité d'énergie qui peut être stockée sur ou dans celle-ci.

"Quand vous arrivez à l'échelle nanométrique, la superficie est immense, et la courbure, à la fois concave et convexe, peut être très grand. Cela fait une grande différence dans la capacité. Nous avons dérivé un modèle qui expliquait toutes les données expérimentales. Vous pouvez extraire les pièces du modèle des calculs de structure électronique, et à partir de ce modèle, vous pouvez prédire la capacité pour différents types de formes incurvées et de tailles de pores."

Par exemple, il a dit, les calculs ont montré que les ions porteurs de charge sont stockés non seulement en glissant dans les pores mais aussi en se fixant aux monticules dans le matériau.

"C'est une courbure positive au lieu d'une courbure négative, " Sumpter a dit, "Et ils peuvent stocker et libérer de l'énergie encore plus rapidement. Ainsi, vous pouvez stocker des ions à l'intérieur d'un trou ou vous pouvez stocker des ions à l'extérieur."

En utilisant ces informations et d'autres acquises grâce à la simulation de superordinateur, l'équipe ORNL s'est associée à des collègues de l'Université Rice pour développer un supercondensateur fonctionnel qui utilise des feuilles de carbone d'épaisseur atomique.

"Il utilise du graphène sur un substrat et un électrolyte polymère-gel, " Sumpter a expliqué, "pour que vous fassiez un appareil entièrement transparent et flexible. Vous pouvez l'enrouler autour de votre doigt, mais c'est toujours un dispositif de stockage d'énergie. Nous sommes donc passés de la modélisation des électrons à la création d'un appareil fonctionnel que vous pouvez tenir dans votre main."