I ricercatori della TU Graz “forano” la struttura cristallina del litio-titanato

I ricercatori della TU Graz hanno trovato un modo per aumentare notevolmente la conducibilità ionica del litio-titanato. Negli esperimenti hanno dimostrato che difetti creati intenzionalmente nella struttura cristallina “attivano un percorso di trasporto deiioni di litio fino ad ora bloccato”. Si tratta però ancora di ricerca fondamentale tradizionale.

I due ricercatori Bernhard Gadermaier e Martin Wilkening dell’Istituto di Tecnologia Chimica dei Materiali della TU Graz sono ora riusciti a trasformare il LTO puro (“non litiato”) con la composizione originale Li4Ti5O12, in modo del tutto diverso, in un conduttore ionico notevolmente migliore: il duo afferma di aver creato intenzionalmente delle “lacune” nella struttura cristallina, dette difetti di ossigeno. “Quando singoli atomi di ossigeno vengono rimossi dalla struttura cristallina, si creano queste lacune che liberano un percorso di diffusione fino ad ora bloccato per gli ioni. Questo percorso di diffusione è già presente nel materiale grazie alla struttura del LTO, ma viene attivato soltanto dalla struttura difettosa”, spiega Wilkening. I risultati dello studio sperimentale sono stati pubblicati sulla rivista specializzata “Science Advances”.

Per creare le lacune in LTO, i ricercatori hanno riscaldato il litio-titanato in un’atmosfera povera di ossigeno a 300 gradi Celsius. “Attraverso questo riscaldamento delicato vengono rimossi singoli atomi di ossigeno dalla struttura cristallina”, prosegue Wilkening. “Le lacune anioniche che si formano nella struttura cristallina influenzano direttamente le possibilità di movimento dei cationi di litio, trasformando un conduttore ionico inizialmente scadente in uno notevolmente migliore. Con l’esempio di LTO si evidenzia in modo particolare l’enorme impatto delle strutture difettose atomiche sulla funzione macroscopica di un materiale.”

Verifica sperimentale complessa

Gli studiosi sono riusciti a dimostrare sperimentalmente la rapida conduzione ionica combinando spettroscopia di conducibilità e spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR). Le misure NMR hanno fornito la prova sperimentale diretta del nuovo percorso di diffusione atomica attivato.

“Il nostro studio sperimentale dimostra in modo evidente che le proprietà di un solido non sono determinate esclusivamente dalla sua composizione chimica, ma in misura decisiva anche dalla sua struttura locale di difetti e dalla sua storia termica”, riassume Martin Wilkening. “Mostriamo come, utilizzando i concetti classici della chimica dei difetti anionici, sia possibile controllare in modo mirato la mobilità dei piccoli cationi di litio.”

“Questo lavoro rappresenta al contempo un esempio paradigmatico di come la ricerca di base senza scopi specifici possa generare nuove funzionalità nei materiali”, affermano i ricercatori. Inoltre: “Il controllo mirato della conducibilità ionica tramite chimica dei difetti apre prospettive a lungo termine per componenti ionotronici, memristivi e neuroformati nell’elettronica micro e nanoelettronica.”