Elektrokimia, dari baterai hingga otak
Uncategorized

Elektrokimia, dari baterai hingga otak

Penelitian Bilge Yildiz berdampak pada berbagai teknologi. Anggota laboratoriumnya mempelajari sel bahan bakar, yang mengubah hidrogen dan oksigen menjadi listrik (dan air). Mereka mempelajari elektroliser, yang menggunakan listrik untuk mengubah air menjadi hidrogen dan oksigen. Mereka mempelajari baterai. Mereka mempelajari korosi. Mereka bahkan mempelajari komputer yang mencoba meniru cara otak memproses informasi dalam pembelajaran. Apa yang menyatukan semua ini di labnya adalah elektrokimia oksida ionik-elektronik dan antarmukanya.

“Sepertinya kita telah berkontribusi pada teknologi yang berbeda,” kata Yildiz, Breene M. Kerr (1951) Profesor MIT di Departemen Ilmu dan Teknik Nuklir (NSE) dan Departemen Ilmu dan Teknik Material, yang baru-baru ini bernama rekan dari American Physical Society. “Itu benar. Tapi pada dasarnya, itu adalah fenomena yang sama yang kita kejar dalam semua ini.” Artinya, perilaku ion – atom bermuatan – dalam bahan, terutama pada permukaan dan antarmuka.

Kenyamanan Yildiz melintasi batas-batas ilmiah mungkin datang dari perjalanannya ke tempat dia berada – atau sebaliknya. Dia dibesarkan di kota tepi laut Izmir, Turki, putri dari dua guru matematika. Dia menghabiskan banyak waktu bersenang-senang di tepi laut, dan juga bermain-main dengan ayahnya dalam proyek perbaikan dan konstruksi di rumah. Dia menikmati belajar dan menghadiri sekolah menengah yang berfokus pada sains, di mana dia dengan jelas mengingat proyek dua tahun tertentu. Kota itu terletak di teluk yang tercemar, dan guru biologinya menghubungkan dia dan seorang teman dengan seorang profesor universitas yang membuat mereka mencari cara untuk membersihkan air menggunakan ganggang. “Kami bersenang-senang di lab dengan persediaan terbatas, mengumpulkan sampel dari teluk, dan mengoksidasi mereka di lab dengan alga,” katanya. Mereka menulis laporan untuk kotamadya. Dia tidak lagi dalam biologi, tetapi “itu membuat saya sadar akan proses penelitian dan pentingnya lingkungan,” katanya, “yang masih ada.”

Sebelum masuk perguruan tinggi, Yildiz memutuskan untuk belajar teknik energi nuklir, karena terdengar menarik, meski ia belum mengetahui pentingnya bidang tersebut untuk mitigasi pemanasan global. Dia akhirnya menikmati kombinasi matematika, fisika, dan teknik. Turki tidak memiliki banyak program energi nuklir, jadi dia memberanikan diri ke MIT untuk mendapatkan gelar PhD di bidang teknik nuklir, mempelajari kecerdasan buatan untuk operasi yang aman dari pembangkit listrik tenaga nuklir. Dia suka menerapkan ilmu komputer ke sistem nuklir, tetapi menyadari bahwa dia lebih suka ilmu fisika daripada algoritma.

Yildiz tinggal di MIT untuk beasiswa pascadoktoral, antara departemen teknik nuklir dan teknik mesin, mempelajari elektrokimia dalam sel bahan bakar. “Penasihat postdoc saya pada saat itu, saya pikir, mengambil risiko dengan mempekerjakan saya, karena saya benar-benar tidak tahu apa-apa” tentang elektrokimia, katanya. “Itu adalah pengalaman yang sangat membantu dan menentukan bagi saya — membuka mata — dan memungkinkan saya untuk bergerak ke arah elektrokimia dan material.” Dia kemudian menuju ke arah baru lainnya, di Argonne National Laboratory di Illinois, belajar tentang spektroskopi sinar-X, bahan peledakan dengan sinar-X sinkrotron yang kuat untuk menyelidiki struktur dan kimianya.

Di MIT, tempat Yildiz kembali pada 2007, ia masih menggunakan instrumen Argonne, serta sinkrotron lain di Amerika Serikat dan luar negeri. Dalam eksperimen biasa, dia dan kelompoknya mungkin pertama-tama membuat bahan yang dapat digunakan, misalnya, dalam sel bahan bakar. Mereka kemudian akan menggunakan sinar-X di labnya atau di sinkrotron untuk mengkarakterisasi permukaannya dalam berbagai kondisi operasional. Mereka akan membangun model komputasi pada tingkat atom atau elektron untuk membantu menafsirkan hasil, dan untuk memandu percobaan berikutnya. Dalam sel bahan bakar, pekerjaan ini memungkinkan untuk mengidentifikasi dan menghindari masalah degradasi permukaan. Menghubungkan titik-titik antara kimia permukaan dan kinerja memungkinkannya memprediksi permukaan material yang lebih baik untuk meningkatkan efisiensi dan daya tahan sel bahan bakar dan baterai. “Ini adalah temuan yang telah kami bangun selama bertahun-tahun,” katanya, “dari mengidentifikasi masalah hingga mengidentifikasi alasan masalah itu, kemudian mengusulkan beberapa solusi untuk masalah itu.”

Sel bahan bakar oksida padat menggunakan bahan yang disebut oksida perovskit untuk mengkatalisis reaksi dengan oksigen. Substitusi – misalnya, atom strontium – ditambahkan ke kristal meningkatkan kemampuannya untuk mengangkut elektron dan ion oksigen. Tetapi atom-atom ini, juga disebut dopan, sering mengendap di permukaan material, mengurangi stabilitas dan kinerjanya. Kelompok Yildiz menemukan alasannya: Dopan bermuatan negatif bermigrasi menuju kekosongan oksigen bermuatan positif di dekat permukaan kristal. Mereka kemudian merancang solusi. Menghapus beberapa kekosongan oksigen berlebih dengan mengoksidasi permukaan dengan elemen lain, hafnium, mencegah pergerakan strontium ke permukaan, menjaga sel bahan bakar berfungsi lebih lama dan lebih efisien.

“Penggabungan mekanika ke kimia juga menjadi tema yang sangat menarik dalam penelitian kami,” katanya. Dia telah menyelidiki efek regangan pada transportasi ion material dan sifat aktivitas katalitik permukaan. Dia menemukan bahwa jenis regangan elastis tertentu dapat memfasilitasi difusi ion serta reaktivitas permukaan. Mempercepat transportasi ion dan reaksi permukaan meningkatkan kinerja sel bahan bakar oksida padat dan baterai.

Dalam karya terbarunya, dia mempertimbangkan komputasi analog yang dipandu otak. Sebagian besar komputer yang kita gunakan sehari-hari adalah digital, menyalakan dan mematikan sakelar listrik, tetapi otak beroperasi dengan banyak urutan besarnya lebih efisiensi energi, sebagian karena menyimpan dan memproses informasi di lokasi yang sama, dan melakukannya dengan memvariasikan sifat listrik lokal pada sebuah kontinum. Yildiz menggunakan ion-ion kecil untuk memvariasikan resistansi material tertentu secara terus menerus, saat ion masuk atau keluar dari material. Dia mengontrol ion secara elektrokimia, mirip dengan proses di otak. Akibatnya, dia mereplikasi beberapa fungsi sinapsis biologis, khususnya penguatan dan pelemahan sinapsis, dengan menciptakan baterai kecil yang hemat energi.

Dia berkolaborasi dengan rekan-rekan di seluruh Institut — Ju Li dari NSE, Jesus del Alamo dari Departemen Teknik Elektro dan Ilmu Komputer, dan Michale Fee dan Ila Fiete dari Departemen Ilmu Otak dan Kognitif. Tim mereka sedang menyelidiki ion, bahan, dan geometri perangkat yang berbeda, dan bekerja dengan MIT Quest for Intelligence untuk menerjemahkan aturan pembelajaran dari studi otak ke desain perangkat keras kecerdasan mesin yang dipandu otak.

Dalam retrospeksi, Yildiz mengatakan, lompatan dari pelatihan formalnya tentang teknik nuklir menjadi elektrokimia dan material adalah hal yang besar. “Saya mengerjakan suatu masalah penelitian, karena memicu rasa ingin tahu saya, saya sangat termotivasi dan bersemangat untuk mengerjakannya dan itu membuat saya senang. Saya tidak pernah berpikir apakah masalah ini mudah atau sulit ketika saya sedang mengerjakannya. Aku benar-benar hanya ingin melakukannya, tidak peduli apa. Ketika saya melihat ke belakang sekarang, saya melihat lompatan ini tidak sepele.” Dia menambahkan, “Tetapi sekarang saya juga melihat bahwa kami melakukan ini di pekerjaan fakultas kami sepanjang waktu. Kami mengidentifikasi pertanyaan baru yang belum tentu merupakan keahlian langsung kami. Dan kami belajar, berkontribusi, dan berkembang.”

Menggambarkan kembalinya dia ke MIT, setelah waktu yang “menyenangkan dan memuaskan” di Argonne, Yildiz mengatakan dia lebih suka fleksibilitas intelektual memiliki lab akademiknya sendiri — serta kesempatan untuk mengajar dan membimbing murid-muridnya dan postdocs. “Kami bekerja dengan siswa muda yang energik, termotivasi, cerdas, pekerja keras,” katanya. “Untungnya, mereka tidak tahu apa yang sulit. Seperti aku tidak melakukannya.”

Ditulis oleh Matthew Hutson

Sumber: Institut Teknologi Massachusetts



Posted By : togel hongkon