"Дишащ" кристал поема и освобождава кислород

Ваня Милева Последна промяна на 11 септември 2025 в 00:00 91 0

Специален вид кристал със способност да диша кислород

Кредит Hyoungjeen Jeen/Pusan National University
Схематична илюстрация на кислородно-дишащи технологии. Учени са разработили специален вид кристал със способност да диша кислород, който може да се използва в технологии за чиста енергия и електроника от следващо поколение. 

Нов кристал от преходен метален оксид, който обратимо и многократно абсорбира и освобождава кислород, може да бъде идеален за използване в горивни клетки и като активна среда в технологии за чиста енергия, като например термични транзистори, интелигентни прозорци и нови видове батерии.

"Дишащият" кристал, открит от учени от Националния университет в Пусан в Корея и Университета в Хокайдо в Япония, се състои от стронций, кобалт и желязо, и разбира се - кислород, който липсва на някои места в т.нар. "ваканции".

Преходните метални оксиди се отличават с огромен диапазон от електрически свойства, които могат да бъдат настройвани от изолационни до свръхпроводящи. Това означава, че те могат да намерят приложения в толкова разнообразни области, като съхранение на енергия, катализа и електронни устройства.

Сред различните параметри на материала, които могат да бъдат настроени, са "кислородните ваканции" - точкови дефекти в кристалната решетка на метален оксид, където липсва кислороден атом. Всъщност, подреждането на тези ваканции може да доведе до нови структурни фази, които са многообещаващи за програмируеми устройства, управлявани от кислород.

Специфично за елементите поведение

В новата работа екип изследователи, ръководен от физика Хьонгджийн Джийн (Hyoungjeen Jeen) от Пусан и материалолога Хиромичи Охта (Hiromichi Ohta) от Хокайдо, е изследвал SrFe0.5Co0.5Ox. Изследователите избират този материал, тъй като той принадлежи към семейството на топотактичните оксиди - материали, които претърпяват структурни фазови преходи, като същевременно запазват атомното подреждане и кристалната ориентация на оригиналния материал.

Изследваните досега топотактични оксиди, съдържащи кобалт, са крехки и лесно се чупят по време на химични реакции, посочва Джийн.

Екипът успява да създаде уникална платформа от твърд разтвор на епитаксиален (тънък кристален слой върху кристален субстрат, който приема неговата атомна структура и ориентация) SrFe0.5Co0.5O2.5, в който както кобалтовите, така и железните йони са в една и съща химическа среда.

"По този начин успяхме да тестваме кой йон е по-подходящ за редукционни реакции и дали запазва структурната си цялост", отбелязва Джийн пред Physics World.

"Открихме, че нашият материал показва специфично за елементите редукционно поведение и обратими редокс реакции."

Изследователите са създали своя материал, използвайки техника на импулсно лазерно отлагане, идеална за епитаксиален синтез на многоелементни оксиди, която им е позволила да отгледат кристали SrFe0.5Co0.5O2.5 в които железните и кобалтовите йони са разположени на случаен принцип в кристала. Това произволно разположение е ключово за способността на материала многократно да освобождава и абсорбира кислород.

"Все едно да дадем на кристала "бели дробове", за да може да вдишва и издишва кислород по команда", отбелязва Джийн.

Стабилен и повтаряем

Тази проста картина на дишане произтича от разликата в каталитичната активност на кобалта и желязото в съединението, обяснява Джийн. Кобалтовите йони предпочитат да губят и да получават кислород и тези йони са основните места за редокс активност - способността на веществото да претърпява окисление. Тъй като обаче железните йони предпочитат да не губят кислород по време на редукционната реакция, те служат като стълбове в тази архитектура. Това позволява стабилно и повтаряемо освобождаване и усвояване на кислород.

Досега повечето материали, които абсорбират и освобождават кислород по такъв контролиран начин, бяха или твърде крехки, или функционираха само при изключително високи температури. Новият материал работи при по-екологични условия и е стабилен.

"Това откритие е поразително по два начина: редуцират се само кобалтови йони и процесът води до образуването на изцяло нова и стабилна кристална структура", обяснява Джийн.

Изследователите също така показват, че материалът може да се върне в първоначалната си форма, когато кислородът бъде въведен отново, като по този начин доказват, че процесът е напълно обратим.

"Това е важна стъпка към реализирането на интелигентни материали, които могат да се самонастройват в реално време", обяснява Охта. "Потенциалните приложения включват разработване на катод за междинни горивни клетки с твърд оксид, активна среда за термични транзистори (устройства, които могат да насочват топлината като електрически ключове), интелигентни прозорци, които регулират топлинния си поток в зависимост от времето и дори нови видове батерии."

В бъдеще Джийн, Охта и колегите им имат за цел да проучат по-детайлно потенциала на материала за практически приложения.

Справка: Lee, J., Seo, YS., Pitike, K.C. et al. Selective reduction in epitaxial SrFe0.5Co0.5O2.5 and its reversibility. Nat Commun 16, 7391 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62612-1 

Източник: ‘Breathing’ crystal reversibly releases oxygen, Physics World

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !