Onderzoek geleid door de Universiteit van Manchester heeft aangetoond dat ionen diffunderen 10, 000 keer sneller in atomair dunne klei dan in bulk kleikristallen. Klei wordt gebruikt in een breed scala aan membraantoepassingen, dus dit resultaat biedt het potentieel om enorm verbeterde ontziltings- of brandstofcelprestaties te bereiken door simpelweg over te schakelen naar ultradunne kleisoorten bij het produceren van de membranen.

Klei, zoals grafiet, bestaan ​​uit op elkaar gestapelde kristallagen en kunnen mechanisch of chemisch worden gescheiden om ultradunne materialen te produceren. De lagen zelf zijn slechts een paar 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.

Dit pand, bekend als ionenuitwisseling, zorgt voor controle van de fysieke eigenschappen van deze kristallen in membraantoepassingen. Echter, ondanks zijn relevantie in deze opkomende technologieën, het ionenuitwisselingsproces in atomair dunne kleien is grotendeels onontgonnen gebleven.

Inschrijven Natuurmaterialen , een team onder leiding van professor Sarah Haigh en dr. Marcelo Lozada-Hidalgo laat 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 klei - 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, de onderzoekers ontdekten ook dat door twee kleilagen verkeerd uit te lijnen of te draaien, ze konden de rangschikking van de gesubstitueerde ionen in de tussenlaagruimte regelen. De ionen werden waargenomen in clusters of eilanden, waarvan de grootte afhangt van de draaihoek tussen de lagen. Deze arrangementen staan ​​bekend als 2D-moiré-superroosters, maar was nog 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 van belang kunnen 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 met een paar trucjes en veel geduld van een toegewijd team van onderzoekers, we kunnen deze moeilijkheden overwinnen om ionendiffusie op atomaire schaal te bestuderen. We hopen dat de hier getoonde methodologie verder zal zorgen voor nieuwe inzichten in beschutte watersystemen en in toepassingen van klei als nieuwe membraanmaterialen."