Atomiske snapshots viser hurtig ionmigrering i ultratynde ler

Forskning ledet af University of Manchester har fundet ud af, at ioner diffunderer 10, 000 gange hurtigere inde i atomisk tynde ler end i bulk lerkrystaller. Ler bruges i en bred vifte af membrananvendelser, så dette resultat giver mulighed for at opnå en markant forbedret afsaltning eller brændselscelleydelse blot ved at skifte til ultratynde ler, når membranerne produceres.

Ler, som grafit, består af krystallag stablet oven på hinanden og kan adskilles mekanisk eller kemisk for at producere ultratynde materialer. Selve lagene er kun nogle få atomer tykke, mens mellemrummet mellem lagene er molekylært snævert og indeholder ioner. Mellemlagsionerne kan ændres på en kontrollerbar måde ved at lade forskellige ionarter trænge ind mellem lagene.

Denne ejendom, kendt som ionbytning, giver mulighed for kontrol af de fysiske egenskaber af disse krystaller i membranapplikationer. Imidlertid, på trods af dets relevans i disse nye teknologier, ionbytterprocessen i atomisk tynde lerarter er stort set forblevet uudforsket.

Skriver ind Naturmaterialer , et hold ledet af professor Sarah Haigh og Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo viser, at det er muligt at tage snapshots af ioner, når de diffunderer inde i mellemlagsrummet af lerkrystaller ved hjælp af scanningstransmissionselektronmikroskopi. Dette tillader undersøgelse af ionbytningsprocessen med atomopløsning. Forskerne var begejstrede for at finde ud af, at ioner diffunderer usædvanligt hurtigt i atomisk tynde ler-10, 000 gange hurtigere end i bulkkrystaller.

Plads til at bevæge sig

Komplementære atomkraftmikroskopi-målinger viste, at den hurtige migration opstår, fordi de langtrækkende (van der Waals) kræfter, der binder sammen 2D-lerlagene, er svagere end i deres bulk-modstykker, hvilket giver dem mulighed for at svulme mere op; effektivt har ionerne mere plads, så bevæg dig hurtigere.

uventet, forskerne fandt også ud af, at ved at fejljustere eller vride to lerlag, de kunne kontrollere arrangementerne af de substituerede ioner i mellemlagsrummet. Ionerne blev observeret at arrangere i klynger eller øer, hvis størrelse afhænger af snoningsvinklen mellem lagene. Disse arrangementer er kendt som 2D moire supergitter, men var ikke blevet observeret før for 2D-iongitter - kun for snoede krystaller uden ioner.

Dr. Yichao Zou, postdoc-forsker og førsteforfatter til papiret, sagde:"Vores arbejde viser, at ler og glimmer gør det muligt at fremstille 2D metalion-supergitter. Dette antyder muligheden for at studere den optiske og elektroniske adfærd af disse nye strukturer, som kan have betydning for kvanteteknologier, hvor snoede gitter bliver intensivt undersøgt."

Ny indsigt i diffusion

Forskerne er også begejstrede for muligheden for at bruge ler og andre 2D-materialer til at forstå iontransport i lave dimensioner. Marcelo Lozada-Hidalgo tilføjede:"Vores observation af, at ionbytning kan accelereres med fire størrelsesordener i atomisk tynde lerarter, demonstrerer potentialet af 2D-materialer til at kontrollere og forbedre iontransport. Dette giver ikke kun fundamentalt ny indsigt i diffusion i molekylært smalle mellemrum, men foreslår nye strategier til at designe materialer til en bred vifte af applikationer."

Forskerne mener også, at deres "snapshots"-teknik har meget bredere anvendelse. Professor Haigh tilføjede:"Ler er virkelig udfordrende at studere med atomopløsning i elektronmikroskopet, da de beskadiger meget hurtigt. Dette arbejde viser, at med nogle få tricks og en masse tålmodighed fra et dedikeret team af forskere, vi kan overvinde disse vanskeligheder for at studere iondiffusion på atomær skala. Vi håber, at den metode, der er demonstreret her, yderligere vil give mulighed for ny indsigt i lukkede vandsystemer såvel som i anvendelser af ler som nye membranmaterialer."