Een ongeplande ontdekking kan leiden tot toekomstige cruciale ontdekkingen in batterijen, brandstofcellen, apparaten voor het omzetten van warmte in elektriciteit en meer.

Wetenschappers voeren hun onderzoek normaal gesproken uit door een onderzoeksprobleem zorgvuldig te selecteren, het bedenken van een passend plan om het op te lossen en het uitvoeren van dat plan. Maar onderweg kunnen er ongeplande ontdekkingen gebeuren.

Mercouri Kanatzidis, professor aan de Northwestern University met een gezamenlijke aanstelling in het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), was op zoek naar een nieuwe supergeleider met onconventioneel gedrag toen hij een onverwachte ontdekking deed. Het was een materiaal dat slechts vier atomen dik is en waarmee de beweging van geladen deeltjes in slechts twee dimensies kan worden bestudeerd. Dergelijke studies zouden de uitvinding van nieuwe materialen voor een verscheidenheid aan apparaten voor energieconversie kunnen stimuleren.

"Uit onze analyseresultaten bleek dat, vóór deze overgang de zilverionen waren gefixeerd in de besloten ruimte binnen de twee dimensies van ons materiaal, maar na deze overgang ze wiebelden in het rond, " zegt Mercouri Kanatzidis, gezamenlijke afspraak met Argonne en Northwestern University

Het doelmateriaal van Kanatzidis was een combinatie van zilver, kalium en selenium (α-KAg ₃ Se ₂ ) in een vierlaagse structuur als een bruidstaart. Deze 2D materialen hebben lengte en breedte, maar bijna geen dikte bij slechts vier atomen hoog.

Supergeleidende materialen verliezen alle weerstand tegen de beweging van elektronen wanneer ze tot zeer lage temperaturen worden afgekoeld. "Tot mijn grote teleurstelling dit materiaal was helemaal geen supergeleider, en we konden er geen maken, " zei Kanatzidis, die een senior wetenschapper is in de Materials Science Division (MSD) van Argonne. "Maar tot mijn verbazing het bleek een fantastisch voorbeeld van een superionische geleider te zijn."

In superionische geleiders, de geladen ionen in een vast materiaal zwerven net zo vrij rond als in de vloeibare elektrolyten in batterijen. Dit resulteert in een vaste stof met een ongewoon hoge ionische geleidbaarheid, een maat voor het vermogen om elektriciteit te geleiden. Met deze hoge ionische geleidbaarheid komt een lage thermische geleidbaarheid, wat betekent dat warmte niet gemakkelijk doorlaat. Beide eigenschappen maken superionische geleiders tot supermaterialen voor apparaten voor energieopslag en -conversie.

De eerste aanwijzing van het team dat ze een materiaal met speciale eigenschappen hadden ontdekt, was toen ze het opwarmden tot tussen de 450 en 600 graden Fahrenheit. Het ging over in een meer symmetrische gelaagde structuur. Het team ontdekte ook dat deze overgang omkeerbaar was toen ze de temperatuur verlaagden, vervolgens weer naar de hoge temperatuurzone gebracht.

"Uit onze analyseresultaten bleek dat, vóór deze overgang de zilverionen waren gefixeerd in de besloten ruimte binnen de twee dimensies van ons materiaal, " zei Kanatzidis. "Maar na deze overgang, ze wiebelden rond." Hoewel er veel bekend is over hoe ionen zich in drie dimensies bewegen, er is heel weinig bekend over hoe ze dat doen in slechts twee dimensies.

Wetenschappers zijn al geruime tijd op zoek naar een voorbeeldmateriaal om ionenbeweging in 2D-materialen te onderzoeken. Dit gelaagde materiaal kalium-zilver-selenium lijkt er een te zijn. Het team heeft gemeten hoe de ionen in deze vaste stof diffunderen en vond dat het equivalent was aan dat van een zwaar gezouten waterelektrolyt. een van de snelst bekende ionengeleiders.

Hoewel het te vroeg is om te zeggen of dit specifieke superionische materiaal praktische toepassing kan vinden, het zou onmiddellijk kunnen dienen als een cruciaal platform voor het ontwerpen van andere 2D-materialen met een hoge ionische geleidbaarheid en een lage thermische geleidbaarheid.

"Deze eigenschappen zijn erg belangrijk voor degenen die nieuwe tweedimensionale vaste elektrolyten ontwerpen voor batterijen en brandstofcellen, " zei Duck Young Chung, belangrijkste materiaalwetenschapper in MSD.

Studies met dit superionische materiaal kunnen ook nuttig zijn voor het ontwerpen van nieuwe thermo-elektrische systemen die warmte omzetten in elektriciteit in elektriciteitscentrales, industriële processen en zelfs uitlaatgassen van auto-emissies. En dergelijke studies zouden kunnen worden gebruikt voor het ontwerpen van membranen voor het opruimen van het milieu en het ontzouten van water.

Dit onderzoek verscheen in een Natuurmaterialen .