Глава 198 Модель миграции реакции электронного интерфейса
В конце концов, получить твердотельный литий-серный аккумулятор легко и просто — невозможно.
По состоянию на сегодняшний уровень знаний в научном сообществе о твердотельных электролитах многое остается непонятным.
В особенности происходят процессы на границе раздела.
— А «граница раздела» — понятие, относящееся как к химии, так и к физике.
Граница раздела обычно обозначает границу или зону контакта между двумя различными фазами, например, между любыми различными состояниями вещества, материалами или разными видами веществ.
Это понятие существует между различными комбинациями твердых, жидких и газообразных веществ.
В частности, для области аккумуляторной техники электроды и электролит изготавливаются из различных материалов, что неизбежно приводит к различию во многих свойствах.
В связи с этим на границе раздела эти различия приводят к изменению градиентов физических и химических свойств, таких как электрический потенциал, концентрация и структура.
Естественно, для разных интерфейсов между материалами возникают разные проблемы.
— Однако, хотя эти материалы кажутся различными, в конечном итоге все проблемы сводятся к электронным.
В кабинете Сяо И задумчиво наклонил голову.
Как и принцип абсолютной электронности, который он когда-то разработал.
Слабое взаимодействие, сильное взаимодействие, гравитация и свойства материалов не играют большой роли. В обычной жизни и при стандартных условиях эксперимента материалы управляет электромагнитным взаимодействием.
— Принцип абсолютной электронности для расчёта миграции электронов и ионов на границе достаточно хорош, но всё же не обладает достаточной специфичностью.
Ручка в его руке беспрестанно писала на бумаге, пока наконец Сяо И не покачал головой.
— Первоначальные расчеты, основанные на принципе абсолютной электронности, рассматривали лишь относительно простые случаи, в основном фокусируясь на материалах одного типа. Для проблем интерфейса между двумя сложными материалами эта методика явно недостаточна.
— Не хватает теории, которая могла бы просто упростить проблему интерфейса…
— Эм… на данный момент существует теория пространственно-заряженного слоя, но она пока несовершенна.
— Кроме того, есть ещё несколько связанных концепций.
Сяо И слегка прищурился и набросал на бумаге различные связанные концепции.
Пространственная электрически заряженная оболочка, граничное электрическое сопротивление, граничная электрическая емкость, модель взаимной диффузии на границе.
Как объединить разные концепции?
Внезапно Сяо И обратил внимание на модель взаимной диффузии на границе.
— Да, уравнение реакции диффузии! —
[u/t = D²u + R(u)]
На черновике он записал это уравнение.
Это уравнение является частным дифференциальным уравнением, подобным уравнению Навье–Стокса. Уравнение Навье–Стокса описывает различные явления молекул в жидкости, а уравнение реакции-диффузии используется для описания процессов диффузии и химических реакций в системе.
Точно так же оно может хорошо описывать процессы миграции ионов на границе раздела фаз. В глазах Сяо И загорелся огонек, и он начал выводить математические формулы на черновике. “Сейчас предположим систему интерфейсного взаимодействия, где вещество A в зоне контакта переходит через диффузию и реакцию в вещество B…” “Для концентрации вещества A CA(x, t) уравнение реакции-диффузии имеет вид: ∂CA/∂t = D * ∇²CA - k * CA.” “Для вещества B…”
Когда вся страница была заполнена его почерком, он наконец остановил ручку.
— Таким образом, применив этот процесс, я смогу начать строить модель, описывающую взаимодействие электрода с электролитом!
Для каждого иона *i* можно записать следующее уравнение реакции-диффузии: dCi/dt = D_i^2 ∇²Ci + R_i(Ci).
Здесь Ji — это поток ионов i-го типа, который можно выразить с помощью уравнения Найсерта-Планка: Ji = Di(Ci + (ziF/RT)Ci).
— Эм… Распределение потенциала можно найти с помощью уравнения Пуассона.
— Затем есть граничные условия. Для электрода и твердого электролита, которые я изучаю сейчас, предположим, что реакция на границе…
По мере того как Сяо И продолжал рисовать, всё более полный и законченный образ постепенно прорисовывался на листе бумаги.
В конце концов, он полностью вывел эту модель.
- Эм, это, наверное, можно считать лишь начальной версией модели. Многое ещё не учтено.
- Если бы удалось включить в модель принцип абсолютной электронности, то, возможно, она стала бы ещё совершеннее.
- Но всё же ей не хватает какой-то направленности...
Направленность, то есть ориентированность на реакцию интерфейса. Текущая модель обладает широким диапазоном применения, но недостаточно точна.
Как в уравнении Навье-Стокса, которое также было расширено для описания потока жидкости в трубах (поток Хагена–Пойссейля) и между двумя параллельными пластинами (поток Куэтта).
Однако для Сяо И это не проблема.
Он начал вспоминать, как раньше наблюдал за твердыми электролитами, используя материалы, которыми он распоряжался.
Внимательно вспомнив все различия в том микроскопическом мире,
Внезапно его глаза засияли, и он сразу же взял чистый лист бумаги и начал на нём продолжать свои выкладки.
Время неумолимо текло.
Через несколько часов, когда солнце начинало садиться, Сяо И вновь поднял голову и улыбнулся.
— Ммм… В основном закончил.
— Как и я думал раньше, даже реакция интерфейса в конечном итоге является электронной.
— Внутри батареи, будь то процесс окисления или восстановления, происходит лишь перераспределение электронов.
— Поэтому...
Сяо И спокойно улыбнулся.
Воспользовавшись частицей вдохновения из абсолютной электронной вычислительной системы, он ещё более усовершенствовал своё изменённое уравнение реакции-диффузии.
Традиционные уравнения реакции-диффузии не могли в полной мере описать квантовое движение электронов, поэтому он потратил немало времени на решение уравнения Шрёдингера для электронов в области границы и получил в итоге достаточно точное решение.
Получив это точное решение, он фактически получил детальную структуру волновых функций электронов, описывающих состояние и пространственное распределение электронов на разных энергетических уровнях.
Используя эту детальную структуру, он перестроил предыдущую модель реакции-диффузии, улучшив её настолько, что она могла точно описывать квантовый туннельный эффект и кулоновское взаимодействие электронов. Благодаря этому стало возможным проводить более полные и точные моделирования реальных процессов на границе раздела фаз.
— Но этого мало…
Сяо И посмотрел на оставшуюся часть.
Плотность состояний на интерфейсе также является ключевым фактором, влияющим на миграцию электронов. Включив плотность состояний в модель, можно было бы добиться её отражения основных частей принципа абсолютной электронной природы.
Для расчета плотности состояний потребуется использовать расчетную модель.
Уже не по силам расчётам Сяо И — конечно, он мог бы продолжать считать, но лучше доверить этот процесс компьютеру.
Что касается этого заключения, назовем его пока «моделью миграции электронно-интерфейсных реакций».
Сяо И слегка улыбнулся и собирался направиться в компьютерный класс.
Расчет плотности состояний требует использования компьютера, а в их лаборатории, конечно, есть серверы.
Но как раз в это время в офис постучали.
Его ассистент Ван Хао вошёл.
Шэнь-ружень, директор по делам плазмы из соседнего института господин Чжао позвонил только что и сказал, что хочет назначить с вами встречу на завтра.
Институт плазмы?
Сяо И опешил.
Зачем люди из Института плазмы пришли к нему?
Но он все же кивнул и сказал:
— Понял.
А в машинном зале сейчас никто не работает? Мне нужно туда ненадолго.
Сейчас нет,— сказал Ван Хао.
Тогда хорошо, сейчас я собираюсь использовать сервер.
Сяо И кивнул.
Хорошо, сейчас я займусь этим, — сказал Ван Хао с уважением, и вышел из кабинета.
Глядя на старательного Ван Хао, Сяо И невольно вздохнул: неудивительно, что все хотят быть начальниками, даже зайти в серверную и включить машину — найдется кто-то, кто сделает это за тебя.
Но...
По ощущениям, эта лаборатория немного тесна.
Он потрогал подбородок.
Поскольку лаборатория начала принимать сотрудников, она естественно стала казаться меньше.
Главное, когда разные функциональные комнаты заняты другими, ему приходится смотреть расписание, чтобы их использовать.
Конечно, будучи руководителем лаборатории, у него все же есть некоторые привилегии. По крайней мере, когда другим сотрудникам требуется использовать функциональные комнаты, им нужно подавать заявку и согласовывать расписание, а ему достаточно просто проверить, свободна ли комната, и он может сразу ее использовать.
Однако он всё же начал чувствовать, что в лаборатории стало тесно.
Может быть, пора начать готовиться к расширению?
Сяо И посмотрел в окно своего офиса.
Да, он видел вид на озеро Шушаньху. Конечно, лаборатория находилась немного вдали от него, поэтому вокруг было ещё довольно много свободного пространства.
Кроме того, что он мог видеть из окна, вокруг лаборатории также было еще много свободного места.
Эти пустые места были специально оставлены для будущего расширения научного острова лаборатории.
Если считать, то ей ещё более ста лет.
Что касается того, почему изначально не выделяли землю для лаборатории, то это потому, что им всё же нужно было посмотреть, насколько ценным окажется научный остров под руководством Сяо И.
Можно сказать, что они ждут предложения.
Но на данный момент достижения в области сверхпроводимости при высоких температурах уже достаточно впечатляют.
В последнее время руководитель Фэйши ещё раз говорил с ним об этом вопросе.
Сейчас он вновь задумался об этом.
— В дальнейшем этот дом будет использоваться исключительно как лаборатория сверхтекучих состояний.
— А потом там построят отдельную лабораторию для работы с материалами.
— Там будет построено еще одно здание – лаборатория по математике и математической физике.
— Ммм… ещё административное здание и общежитие.
В голове у Сяо И словно возник план и схема будущего научного острова.
Конечно, для всего этого понадобятся много денег.
— Эм… тогда мне нужно сначала привести этот аккумулятор в порядок.
Когда он сделает аккумулятор, у него будет больше оснований требовать деньги.
Тогда и грандиозный план модернизации лаборатории на Научном острове можно будет официально запустить.
В это время Ван Хао вошел и сказал Сяо И:
— Комната для оборудования уже готова, вы можете идти.
Сяо И кивнул, затем временно оставил воображение в голове и направился в комнату для оборудования, чтобы начать подготовку к моделированию миграции электронных состояний интерфейса.
В последующие дни Сяо И полностью отдался работе над совершенствованием модели миграции электронных состояний интерфейса.
На данный момент модель представляет собой лишь каркас. Для достижения совершенства необходимо непрерывное совершенствование и учет ранее не учтенных факторов.
Включая решение уравнения Шрёдингера для электрона в интерфейсе, полученное им ранее, и которое также может быть улучшено, с помощью компьютера можно получить более точное решение.
Так и шло время, медленно, день за днем.
…
Сегодня был тот день, когда директор Института плазмы назначил встречу со Сяо И.
После долгих обсуждений приглашение посетить Институт плазмы получил именно Сяо И.
Это EAST, восточный супер-резонатор.
Стоя перед огромным экспериментальным оборудованием, директор Чжао Чжанью словно представлял Сяо И.
Сяо И, глядя на это огромное сооружение, невольно восхищалась.
— Действительно величественно, — сказал он.
По всему миру самыми дорогими и масштабными экспериментальными установками, пожалуй, являются ускорители частиц. На втором месте непременно стоит управляемый термоядерный реактор.
Перед нами этот восточный суперкольцо, официально именуемый как «Экспериментальный комплекс управляемого термоядерного синтеза на основе сверхпроводящего токармака некруглой формы», является первым в мире полностью сверхпроводящим нецилиндрическим экспериментальным комплексом для термоядерного синтеза.
Его основная часть достигает высоты 11 метров, диаметром 8 метров и весом около 400 тонн.
Чжао Чжанью улыбнулся и сказал:
— Как вам нравится?
Сяо И хитрым взглядом сказал:
— Конечно нравится, очень даже нравится, но если мне понравится, ты можешь отдать его на наш научный остров в лабораторию?
Чжао Чжанью расхохотался и махнул рукой:
— Нет-нет, если я его отдам, то все сотни сотрудников нашего института упрекнут меня в этом.
— Если лаборатория научного острова хочет получить токарный станок, лучший этот, мы с радостью поможем.
Сяо И усмехнулся и посмотрел на Чжао Чжанью:
— Как же я и не догадался, что директор Чжао пригласил меня сюда специально для разговора.
Чжао Чжанью не выглядел смущенным, пожал плечами и сказал:
— Эй, Сяо Руководитель, тот высокотемпературный сверхпроводник, который ты разработал, просто потряс всех в нашем институте. Мы обсуждали его почти целый месяц, вот теперь пришли к тебе.
Сяо И кивнул, ведь слышал от директора Бао Хэсиня, что в успешном продвижении лаборатории на Научном острове участвовала и его группа.
Конечно же, главным образом это было из-за привлекательности высокотемпературного сверхпроводника.
Теперь, судя по всему, мы не разочаровали и тех, кто занимался плазмой.
Но ведь в самом начале он говорил именно для себя, поэтому Сяо И сказал:
- Тогда я с удовольствием послушаю. Директор Чжао, что вы думаете о том?
Увидев, что Сяо И не возражает, Чжао Чжанью хихикнул, почесал затылок и сказал: “Эй, вы же видите, наш EAST давно устарел с тех пор как его создали, ни разу не модернизировали.”
А теперь появились высокотемпературные сверхпроводники, например, HTSC-1. Может быть, пора задуматься о новом проекте?
Сяо И невольно рассмеялся и сказал: — Ну, ваш новый проект получается довольно масштабным.
Да ещё и жарко стало.
Когда она загорается, температура достигает сотен миллионов градусов.
Если бы так поджарить, то появились бы черные и красные пятна.
Чжао Чжанью с сожалением сказал:
— Ну ничего не поделаешь, во всех восточных компаниях всё используемое уже немного устарело, например, сверхпроводящие катушки — там применяют давно устаревшие технологии.
— Не знаю, слышали ли вы, недавно появилась компания под названием «Энергетический Четырехмерный», которая разработала токарное оборудование под названием «Хуанхуа 70». Господи, они прямо использовали иттрий-бариево-медический оксид, и мы просто им завидуем.
— Это я слышал.
Но в это время Чжао Чжанью с усмешкой сказал: “К счастью, они только что закончили строительство, как ты объявил о создании HTSC-1. Я думаю, когда они услышат эту новость, они будут в шоке.”
Глядя на лицо Чжао Чжанью, Сяо И невольно рассмеялся и покачал головой.
Вот так это выглядит у них?
В этот момент раздался голос:
— Хватит, Чжаньюй, зачем ты так радуешься? То, что кто-то готов вкладывать деньги в исследования по ядерному синтезу, уже хорошо.
Услышав этот голос, Чжао Чжанью сразу убрал улыбку с лица и посмотрел на пришедшего, сказав:
— Инь Юйшен.
Сяо И также повернулся к человеку.
Ли Цзянань, академик, также был пожилым сотрудником института плазмы. В то время EAST была построена при его поддержке.
В самом начале именно он выступал на конференции в университете науки и техники за Сяо И.
Профессор Сяо, привет! Добро пожаловать в наш институт плазмы.
Ли Цзянань подошёл к Сяо И и пожал ему руку.
— Здравствуйте, академик Ли, — сказал Сяо И, кивнув.
Ли Цзянань кивнул и сказал:
— Директор Чжао рассказал вам о моём плане. Давайте я подробно объясню свою идею.
Сяо И улыбнулся и сказал:
— Конечно, можно.