أداة جديدة تعمل على تسريع أبحاث البطارية والموصلات الفائقة.. تسريع وصول التقنيات المبتكرة إلى السوق
تقليل الوقت والنفقات اللازمة للبحث والتطوير
تقدم دراسة جديدة من جامعة طوكيو صيغة بسيطة لكنها فعالة للتنبؤ باستقرار المواد المقحمة، وهي مفتاح الجيل التالي من الإلكترونيات والبطاريات.
من الممكن أن يؤدي هذا الاختراق إلى تقليل وقت البحث والتطوير وتكاليفه بشكل كبير، مما يؤدي إلى تسريع وصول التقنيات المبتكرة إلى السوق.
إن أداء العديد من التقنيات المتطورة، من بطاريات الليثيوم أيون إلى الموجة التالية من الموصلات الفائقة، يتوقف على خاصية فيزيائية تسمى الإقحام.
إن التنبؤ بالمواد المقحمة التي ستكون مستقرة يشكل تحديًا كبيرًا، مما يؤدي إلى تجارب واسعة النطاق تعتمد على التجربة والخطأ في تطوير منتجات جديدة.
في دراسة نشرت مؤخرًا في ACS Physical Chemistry Au ، ابتكر باحثون من معهد العلوم الصناعية بجامعة طوكيو والشركاء المتعاونون معادلة مباشرة تتنبأ بشكل صحيح بثبات المواد المقحمة.
ستعمل إرشادات التصميم المنهجية التي أتاحها هذا العمل على تسريع عملية تطوير الأجهزة الإلكترونية عالية الأداء وأجهزة تخزين الطاقة القادمة.
فهم البحث وسياقه
ولتقدير إنجاز فريق البحث، نحتاج إلى فهم سياق هذا البحث، الإقحام هو الإدراج العكسي للضيوف (الذرات أو الجزيئات) في المضيفين (على سبيل المثال، المواد ثنائية الطبقات).
عادةً ما يكون الغرض من الإقحام هو تعديل خصائص المضيف أو بنيته لتحسين أداء الجهاز، كما يظهر، على سبيل المثال، في بطاريات الليثيوم أيون التجارية.
على الرغم من توفر العديد من الطرق الاصطناعية لإعداد المواد المقحمة، إلا أن الباحثين لم يكن لديهم وسائل موثوقة للتنبؤ بمجموعات المضيف والضيف المستقرة.
ولذلك، هناك حاجة إلى الكثير من العمل المعملي لاستنباط مواد مقحمة جديدة لنقل وظائف الجهاز من الجيل التالي.
كان التقليل من هذا العمل المعملي من خلال اقتراح أداة تنبؤية مباشرة لاستقرار المضيف والضيف هو هدف دراسة فريق البحث.
قاعدة بيانات تضم 9000 مركب
يوضح ناوتو كاواجوتشي، المؤلف الرئيسي للدراسة: “نحن أول من طور أدوات تنبؤية دقيقة لطاقات التقريب بين المضيف والضيف، واستقرار المركبات المقحمة”، “يعتمد تحليلنا على قاعدة بيانات تضم 9000 مركب، ويستخدم مبادئ واضحة من الكيمياء في السنة الأولى الجامعية.”
من أبرز ما يميز العمل هو أن خاصيتين فقط وثمانية واصفات مشتقة من المضيف كانت ضرورية لحسابات الطاقة والاستقرار للباحثين.
بمعنى آخر، لم تكن “أفضل التخمينات” الأولية ضرورية؛ فقط الفيزياء الأساسية لأنظمة المضيف والضيف.
علاوة على ذلك، قام الباحثون بالتحقق من صحة نموذجهم مقابل ما يقرب من 200 مجموعة من معاملات الانحدار.
يقول تيروياسو ميزوجوتشي، كبير الباحثين: “نحن متحمسون لأن صياغة نموذج الانحدار لدينا واضحة ومعقولة ماديًا”، “تفتقر النماذج الحسابية الأخرى في الأدبيات إلى الأساس المادي أو التحقق من صحة المركبات المقحمة غير المعروفة.”
يعد هذا العمل خطوة مهمة للأمام في تقليل العمل المعملي الشاق المطلوب عادةً لإعداد المواد المقحمة.
وبالنظر إلى أن العديد من أجهزة تخزين الطاقة والأجهزة الإلكترونية الحالية والقادمة تعتمد على هذه المواد، فسيتم تقليل الوقت والنفقات اللازمة للبحث والتطوير المقابل.
وبالتالي، فإن المنتجات ذات الوظائف المتقدمة ستصل إلى السوق بشكل أسرع مما كان ممكنًا في السابق.
