Un team di ricercatori dell'Università di Hokkaido ha sviluppato un nuovo metodo di sintesi dei materiali chiamato introduzione ionica guidata da protoni (PDII) che utilizza un fenomeno simile al "biliardo ionico". Il nuovo metodo potrebbe aprire la strada alla creazione di numerosi nuovi materiali, così facendo avanzare drasticamente le scienze dei materiali.

Il metodo di sintesi si basa su un processo privo di liquidi che consente l'intercalazione - inserimento di ioni ospiti in un materiale ospite - e la sostituzione ionica con quelli nel materiale ospite guidando gli ioni con i protoni. Questo studio, guidato dall'assistente professore Masaya Fujioka e dal professor Junji Nishii presso l'Istituto di ricerca universitario per le scienze elettriche, è stato pubblicato in Journal of American Chemical Society il 16 novembre.

Convenzionalmente, l'intercalazione e la sostituzione ionica sono state condotte in una soluzione ionica, ma il processo è considerato macchinoso e problematico. In un processo a base liquida, le molecole di solvente possono essere inserite nei materiali ospiti insieme agli ioni ospiti, degradare la qualità del cristallo. È anche difficile introdurre ioni in modo omogeneo nei materiali ospiti, e alcuni materiali ospiti non sono adatti se usati con liquidi.

Nel metodo PDII, un'alta tensione di diversi kilovolt viene applicata a un anodo a forma di ago posto nell'idrogeno atmosferico per generare protoni tramite la dissociazione elettrolitica dell'idrogeno. I protoni migrano lungo il campo elettrico e vengono sparati nella fonte di alimentazione degli ioni desiderati - simili alle palle nel biliardo - e gli ioni vengono espulsi dalla sorgente per mantenerla elettricamente neutra. Vengono introdotti ioni forzati fuori dalla sorgente, o intercalato, in uno spazio di livello nanometrico nel materiale ospite.

In questo studio, utilizzando materiali diversi come fonti di approvvigionamento di ioni, il team è riuscito a introdurre in modo omogeneo gli ioni di litio (Li ⁺ ), ioni sodio (Na ⁺ ), ioni potassio (K ⁺ ), ioni di rame (Cu ⁺ ) e ioni argento (Ag ⁺ ) in lacune a livello di nanometri nel solfuro di tantalio (IV) (TaS2), un materiale stratificato, pur mantenendo la sua cristallinità. Per di più, la squadra ha sostituito con successo Na ⁺ di Na3V2(PO4)3 con K ⁺ , producendo un materiale termodinamicamente metastabile, che non può essere ottenuto utilizzando il metodo di reazione allo stato solido convenzionale.

"Attualmente, abbiamo dimostrato che gli ioni idrogeno (H ⁺ ), Li ⁺ , N / A ⁺ , K ⁺ , Cu ⁺ e Ag ⁺ può essere utilizzato per introdurre ioni nel nostro metodo, e prevediamo che sarà utilizzabile una maggiore varietà di ioni. Combinandoli con vari materiali ospiti, il nostro metodo potrebbe consentire la produzione di numerosi nuovi materiali, " dice Masaya Fujioka. "In particolare, se viene stabilito un metodo per introdurre ioni caricati negativamente e ioni multivalenti, stimolerà lo sviluppo di nuovi materiali funzionali nel campo delle batterie agli ioni solidi e dell'elettronica".