Più che una bella immagine, il nanomateriale a forma di stella cambia l'immagazzinamento dell'energia
L'idrossido di vanadile si comporta più come uno pseudocapacitore che come una batteria quando si forma una struttura a forma di stella
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Quando vengono creati su scala nanometrica, i materiali possono assumere forme come stelle, aste o addirittura piramidi. Queste forme delle particelle, note anche come morfologie di un solido, non sono solo immagini interessanti al microscopio: possono determinare il comportamento del materiale, a volte in modo drammatico.
Un'immagine al microscopio elettronico a scansione rivela particelle di idrossido di vanadile (VOOH) a forma di stella. Il team di Luis De Jesús Báez ha scoperto che queste particelle si comportano più come uno pseudocapacitore che come una batteria.
Luis De Jesús Báez/University at Buffalo
I ricercatori dell'Università di Buffalo hanno dimostrato questo fenomeno creando il primo idrossido di vanadile (VOOH) a forma di stella e dimostrando che questa forma può alterare radicalmente il modo in cui il materiale immagazzina energia.
Quando questa sostanza chimica a base metallica si è inizialmente formata come strati piatti, simili a fogli, ha immagazzinato energia internamente come una batteria. Ma quando si è evoluto in aste raggruppate e infine in strutture a forma di stella, il suo comportamento si è spostato verso quello di uno pseudocapacitore, immagazzinando energia sulla superficie o in prossimità di essa.
"Cambiando semplicemente la morfologia di un materiale, si può modificare il suo comportamento elettrochimico e quindi cambiare ciò che si può fare con esso", spiega Luis De Jesús Báez, PhD, professore assistente presso il Dipartimento di Chimica dell'UB e autore corrispondente di uno studio pubblicato nel numero di gennaio di Nanoscale, una rivista della Royal Society of Chemistry.
Le scoperte potrebbero fornire spunti per la progettazione di sistemi ibridi di accumulo di energia che forniscono energia rapidamente come un condensatore e la immagazzinano più a lungo come una batteria. Inoltre, suggeriscono che il controllo della forma di un materiale potrebbe influenzare il comportamento dei suoi elettroni, un fattore chiave nelle tecnologie emergenti come l'informatica quantistica e neuromorfica.
"Stiamo imparando sempre di più che le proprietà di un materiale non sono determinate solo dalla composizione chimica o dalla struttura cristallina dell'atomo: anche la morfologia deve essere presa in considerazione", afferma De Jesús Báez.
Dal seme alla stella
La creazione di un materiale inizia con un seme, un ammasso di pochi atomi che, nelle giuste condizioni e con il tempo, può trasformarsi in un solido.
Il team di De Jesús Báez ha sintetizzato il VOOH e ha osservato come la sua struttura si è evoluta nel corso di tre giorni e mezzo. Hanno utilizzato sia la microscopia elettronica a trasmissione che la microscopia elettronica a scansione, che si basano sugli elettroni piuttosto che sulla luce per visualizzare i materiali su scale estremamente piccole.
Dopo 36 ore, il VOOH si è formato come strutture piatte e simili a fogli e ha immagazzinato energia internamente come una batteria convenzionale. Dopo 48 ore, il materiale ha iniziato a formare ammassi simili a bastoncini e il suo comportamento di immagazzinamento dell'energia ha iniziato a cambiare.
Dopo 84 ore, il VOOH aveva assunto una forma a stella a sei braccia e immagazzinava parte dell'energia sulla superficie o in prossimità di essa.
"La crescita di un solido a forma di stella è molto più complessa di quella di un foglio. La forma a stella permette di avere più bordi con un'alta densità di difetti e una maggiore superficie complessiva. L'aumento dei difetti e della superficie è ciò che porta a un cambiamento nel comportamento elettrochimico e ci insegna il ruolo che la nucleazione e la crescita hanno sulle proprietà", spiega il primo autore Jayanti Sharma, dottorando nel laboratorio di De Jesús Báez.
Dove l'intelligenza artificiale incontra la scienza dei materiali
Gli scienziati utilizzano sempre più spesso modelli di intelligenza artificiale per simulare il comportamento di un materiale, ma secondo De Jesús Báez questa ricerca dimostra perché il lavoro di laboratorio, che richiede molto tempo, rimane essenziale.
I modelli di intelligenza artificiale si basano su database di scienza dei materiali, che spesso includono informazioni sulle proprietà di un materiale, ma non sempre sulle condizioni specifiche necessarie per produrlo.
"A cosa serve un modello che ti dice che il VOOH è un buon pseudocapacitore se non ti dice anche che richiede una struttura a forma di stella e ti spiega come crearla?". afferma De Jesús Báez. "È qui che l'intelligenza artificiale deve incontrare gli scienziati dei materiali. Con dati migliori provenienti dal laboratorio, questi modelli potrebbero davvero aiutarci a catapultare nuove scoperte".
Inoltre, le immagini al microscopio elettronico che ne derivano valgono da sole il tempo trascorso in laboratorio.
"Ogni volta che vedo immagini come queste, è quasi come essere un bambino e scoprire di nuovo qualcosa di nuovo", dice De Jesús Báez. "Nel 2026, a volte si ha l'impressione che sia stato scoperto tutto ciò che si poteva scoprire, ma queste immagini ci ricordano che c'è ancora molto da esplorare".
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