Atomaire snapshots tonen snelle ionenmigratie in ultradunne kleisoorten

Onderzoek onder leiding van de Universiteit van Manchester heeft uitgewezen dat ionen 10.000 keer sneller diffunderen in atomair dunne klei dan in bulkkleikristallen. Klei wordt gebruikt in een breed scala aan membraantoepassingen, dus dit resultaat biedt de mogelijkheid om enorm verbeterde ontziltings- of brandstofcelprestaties te bereiken door simpelweg over te schakelen naar ultradunne kleisoorten bij het produceren van de membranen.

Klei bestaat, net als grafiet, uit op elkaar gestapelde kristallagen en kan mechanisch of chemisch worden gescheiden om ultradunne materialen te produceren. De lagen zelf zijn slechts enkele atomen dik, terwijl de ruimte tussen de lagen moleculair smal is en ionen bevat. De ionen tussen de lagen kunnen op een beheersbare manier worden gewijzigd door verschillende ionensoorten tussen de lagen te laten doordringen.

Deze eigenschap, bekend als ionenuitwisseling, maakt controle over de fysieke eigenschappen van deze kristallen in membraantoepassingen mogelijk. Ondanks de relevantie ervan in deze opkomende technologieën, is het ionenuitwisselingsproces in atomair dunne klei grotendeels onontgonnen gebleven.

Inschrijven Natuurmaterialen, laat een team onder leiding van professor Sarah Haigh en dr. Marcelo Lozada-Hidalgo zien dat het mogelijk is om snapshots te maken van ionen terwijl ze diffunderen in de tussenlaagruimte van kleikristallen met behulp van scanning transmissie-elektronenmicroscopie. Dit maakt studie van het ionenuitwisselingsproces met atomaire resolutie mogelijk. De onderzoekers waren enthousiast toen ze ontdekten dat ionen uitzonderlijk snel diffunderen in atomair dunne kleisoorten – 10.000 keer sneller dan in bulkkristallen.

Ruimte om te bewegen

Complementaire atoomkrachtmicroscopiemetingen toonden aan dat de snelle migratie ontstaat omdat de langeafstandskrachten (van der Waals) die de 2D-kleilagen aan elkaar binden zwakker zijn dan in hun bulktegenhangers, waardoor ze meer kunnen zwellen; effectief hebben de ionen meer ruimte, dus bewegen sneller.

Onverwacht ontdekten de onderzoekers ook dat door twee kleilagen verkeerd uit te lijnen of te draaien, ze de rangschikking van de gesubstitueerde ionen in de tussenlaagruimte konden regelen. De ionen werden gerangschikt in clusters of eilanden, waarvan de grootte afhangt van de draaihoek tussen de lagen. Deze arrangementen staan ​​bekend als 2D-moiré-superroosters, maar waren niet eerder waargenomen voor 2D-ionenroosters – alleen voor gedraaide kristallen zonder ionen.

Dr. Yichao Zou, postdoctoraal onderzoeker en eerste auteur van het artikel, zei: “Ons werk laat zien dat klei en mica de fabricage van 2D-metaalion-superroosters mogelijk maken. Dit suggereert de mogelijkheid om het optische en elektronische gedrag van deze nieuwe structuren te bestuderen, die kan van belang zijn voor kwantumtechnologieën, waar gedraaide roosters intensief worden onderzocht.”

Nieuwe inzichten in diffusie

De onderzoekers zijn ook enthousiast over de mogelijkheid om klei en andere 2D-materialen te gebruiken om ionentransport in lage dimensies te begrijpen. Marcelo Lozada-Hidalgo voegde toe: “Onze waarneming dat ionenuitwisseling in atomair dunne klei met vier orden van grootte kan worden versneld, toont het potentieel aan van 2D-materialen om ionentransport te regelen en te verbeteren. Dit biedt niet alleen fundamenteel nieuwe inzichten in diffusie in moleculair-smalle ruimtes, maar suggereert nieuwe strategieën om materialen te ontwerpen voor een breed scala aan toepassingen.”

De onderzoekers geloven ook dat hun “snapshots” -techniek een veel bredere toepassing heeft. Professor Haigh voegde toe: “Kleien zijn echt een uitdaging om te bestuderen met atomaire resolutie in de elektronenmicroscoop omdat ze zeer snel beschadigen. Dit werk toont aan dat we met een paar trucjes en veel geduld van een toegewijd team van onderzoekers deze moeilijkheden kunnen overwinnen om ionendiffusie op atomaire schaal bestuderen. We hopen dat de hier gedemonstreerde methodologie verder zal zorgen voor nieuwe inzichten in begrensde watersystemen en in toepassingen van klei als nieuwe membraanmaterialen.”