Fosfatna stakla se koriste u optici, kemijskoj industriji i elektronici zbog svojih specifičnih svojstava poput transparentnosti, otpornosti na kemikalije i toplinu te su dobri električni izolatori. Poboljšanje elektronske vodljivosti fosfatnih stakala omogućuje njihovu širu primjenu u elektroničkim uređajima i potiče razvoj novih, naprednih energetskih uređaja. Također, omogućuje detaljnije proučavanje njihovih električnih svojstava i otkrivanje novih za razvoj novih materijala za napredne aplikacije.

''U novom radu opisali smo kako strukturna svojstva fosfatnih stakala koja sadrže volframov oksid i molibdenov oksid snažno utječu na elektronski prijenos u tim staklima. Kroz kontrolu sastava i strukture fosfatnih stakala, uspjeli smo značajno poboljšati njihovu elektronsku vodljivost'', objašnjava dr. sc. Sanja Renka, prva autorica na radu te asistentica u Laboratoriju za funkcionalne materijale na IRB-u, koja je istraživanje provela pod mentorstvom dr. sc. Ane Šantić.

Istraživački tim koji uz dr. Renka i dr. Šantić čine dr. sc. Luka Pavić s IRB-a, dr. sc. Radha D. Banhatti, dugogodišnja suradnica laboratorija, i dr. sc. Grégory Tricot sa Sveučilišta u Lilleu te dr. sc. Petr Kalenda, prof. Petr Mošner i prof. Ladislav Koudelka sa Sveučilišta u Pardubicama, vjeruje da će rezultati njihovog istraživanja potaknuti budući napredak u istraživanjima katodnih materijala na bazi oksidnih stakla, s ciljem poboljšanja učinkovitosti i sigurnosti elektrokemijskih uređaja. Povrh toga, iskorištavanjem mogućnosti optimiziranja električne vodljivosti promjenom sastava i strukture, znanstvenici i inženjeri mogu otvoriti nove mogućnosti za pohranu energije.

Rastuća potražnja za učinkovitijim i sigurnijim elektrokemijskim uređajima, uključujući baterije, solarne i gorive ćelije, potaknula je intenzivna istraživanja električki vodljivih oksidnih stakala.

Među njima, ekološki prihvatljiva fosfatna stakla privukla su pozornost znanstvenika zbog svojih povoljnih svojstava kao što su kemijska i toplinska stabilnost, te isplativa proizvodnja u različitim oblicima poput tankih filmova.

Međutim, njihova relativno niska električna vodljivost predstavljala je ograničavajući faktor. Stoga je ovom istraživanju prioritet bio razumijevanje dinamike nositelja naboja i utjecaja strukturnih karakteristika kao ključnih elemenata za poboljšanje električnih svojstava ovih materijala.

''Prema klasičnoj teoriji, elektronska odnosno polaronska vodljivost u staklima koja sadrže okside prijelaznih metala ovisi o udjelu tih oksida, omjeru metalnih iona u različitim oksidacijskim stanjima i njihovoj međusobnoj udaljenosti. Međutim, naše istraživanje dovodi u pitanje te pretpostavke. Utvrdili smo da u slučaju volframovih i molibdenovih fosfatnih stakala, polaronska vodljivost u potpunosti ovisi o strukturnim svojstvima mreže stakla'', objašnjava dr. sc. Ana Šantić, dopisna autorica na radu i voditeljica Laboratorija za funkcionalne materijale na IRB-u.

Klasterirati ili ne?

Fosfatna stakla s volframovim oksidom pokazala su polaronsku vodljivost koja je za šest redova veličine veća u usporedbi s fosfatnim staklima s molibdenovim oksidom, unatoč znatno nižem udjelu volframovih iona u nižem oksidacijskom stanju u odnosu na molibdenove ione u analognim staklima.

Ova razlika proizlazi iz činjenice da u volframovim fosfatnim staklima volframove strukturne jedinice klasteriraju, tvoreći W‒O‒W‒O‒W veze koje omogućuju brzi prijenos naboja kroz materijal. S druge strane, u staklima s molibdenovim oksidom, strukturne jedinice molibdena ne povezuju se primarno međusobno, već se ravnomjerno ugrađuju u fosfatnu mrežu. To usporava prijenos naboja i rezultira smanjenom vodljivošću.

Povrh toga, istraživači su otkrili još nešto neočekivano. Naime, očekivali su da će povećanje udjela volframa ili molibdena u staklima rezultirati povećanom vodljivošću. Međutim, uočili su da dodavanje većih količina tih metalnih oksida zapravo smanjuje vodljivost što je suprotno klasičnoj teoriji polaronske vodljivosti u oksidnim staklima.

Uz primjenu modernih tehnika Ramanove i MAS NMR spektroskopije za analizu strukture stakala te računalnim modeliranjem električnih parametara, znanstvenici su utvrdili da klasteriranje poliedara prijelaznih metala nema nužno pozitivan učinak na prijenos naboja (polarona) kao što se do sad smatralo, već ga može i usporiti. Naime, ukoliko se jedinice volframa odnosno molibdena povezuju u lance unutar strukture stakla, polaronski prijenos je brz te je vodljivost stakla visoka. Međutim, ako su ove jedinice povezane trodimenzijski, uz smanjenje broja terminalnih kisikovih atoma, dolazi do nastajanja rigidnih klasterskih struktura što zapravo usporava kretanje polarona. To se posebno događa kada su u sastavu stakla veće količine oksida prijelaznih metala.

''Naša istraživanja pružaju dragocjena saznanja o strukturnim svojstvima i vodljivosti fosfatnih stakala s oksidima prijelaznih metala. Nadamo se da će ova saznanja potaknuti daljnji napredak u razvoju naprednih materijala za elektrokemijske uređaje i pridonijeti održivom energetskom sektoru'', zaključuje dr. sc. Sanja Renka.

Ovo istraživanje predstavlja jedan važan korak prema razumijevanju i optimizaciji fosfatnih stakala kao funkcionalnih materijala za elektrokemijske uređaje te pruža nove perspektive za razvoj energetski učinkovitih tehnologija u budućnosti.

Istraživanje je provedeno u okviru projekta Hrvatske zaklade za znanost POLAR-ION-GLASS IP-2018-01-5425.