Una scoperta non pianificata potrebbe portare a future scoperte fondamentali nelle batterie, celle a combustibile, dispositivi per convertire il calore in elettricità e altro ancora.

Gli scienziati normalmente conducono le loro ricerche selezionando attentamente un problema di ricerca, ideare un piano appropriato per risolverlo ed eseguire quel piano. Ma scoperte non pianificate possono accadere lungo la strada.

Mercuri Kanatzidis, professore alla Northwestern University con un incarico congiunto presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), stava cercando un nuovo superconduttore con un comportamento non convenzionale quando ha fatto una scoperta inaspettata. Era un materiale spesso solo quattro atomi e permetteva di studiare il moto di particelle cariche in sole due dimensioni. Tali studi potrebbero stimolare l'invenzione di nuovi materiali per una varietà di dispositivi di conversione dell'energia.

"I risultati della nostra analisi hanno rivelato che, prima di questo passaggio, gli ioni d'argento sono stati fissati nello spazio confinato all'interno delle due dimensioni del nostro materiale, ma dopo questo passaggio, si agitavano, "dice Mercouri Kanatzidis, appuntamento congiunto con Argonne e Northwestern University

Il materiale di destinazione di Kanatzidis era una combinazione di argento, potassio e selenio (α-KAg ₃ Vedi ₂ ) in una struttura a quattro strati come una torta nuziale. Questi materiali 2D hanno lunghezza e larghezza, ma quasi nessuno spessore a soli quattro atomi di altezza.

I materiali superconduttori perdono tutta la resistenza al movimento degli elettroni quando vengono raffreddati a temperature molto basse. "Con mia grande delusione, questo materiale non era affatto un superconduttore, e non potremmo farne uno, " disse Kanatzidis, che è uno scienziato senior nella Divisione di scienza dei materiali (MSD) di Argonne. "Ma con mia grande sorpresa, si è rivelato un fantastico esempio di direttore d'orchestra superionico."

Nei conduttori superionici, gli ioni carichi in un materiale solido si muovono liberamente come negli elettroliti liquidi che si trovano nelle batterie. Ciò si traduce in un solido con una conduttività ionica insolitamente elevata, una misura della capacità di condurre elettricità. Con questa alta conduttività ionica arriva una bassa conduttività termica, il che significa che il calore non passa facilmente. Entrambe queste proprietà rendono i conduttori superionici dei super materiali per dispositivi di accumulo e conversione di energia.

Il primo indizio del team di aver scoperto un materiale con proprietà speciali è stato quando lo hanno riscaldato a una temperatura compresa tra 450 e 600 gradi Fahrenheit. È passato a una struttura a strati più simmetrica. Il team ha anche scoperto che questa transizione è reversibile quando hanno abbassato la temperatura, poi lo sollevò di nuovo nella zona ad alta temperatura.

"I risultati della nostra analisi hanno rivelato che, prima di questo passaggio, gli ioni d'argento sono stati fissati nello spazio confinato all'interno delle due dimensioni del nostro materiale, " disse Kanatzidis. "Ma dopo questa transizione, si muovevano." Mentre si sa molto su come gli ioni si muovono in tre dimensioni, si sa molto poco di come lo facciano solo in due dimensioni.

Gli scienziati stanno cercando da tempo di trovare un materiale esemplare per studiare il movimento degli ioni nei materiali 2D. Questo materiale stratificato potassio-argento-selenio sembra essere uno. Il team ha misurato il modo in cui gli ioni si sono diffusi in questo solido e ha scoperto che è equivalente a quello di un elettrolita di acqua fortemente salata, uno dei conduttori ionici più veloci conosciuti.

Sebbene sia troppo presto per dire se questo particolare materiale superionico possa trovare applicazione pratica, potrebbe immediatamente fungere da piattaforma cruciale per la progettazione di altri materiali 2D con elevata conduttività ionica e bassa conduttività termica.

"Queste proprietà sono molto importanti per chi progetta nuovi elettroliti solidi bidimensionali per batterie e celle a combustibile, " ha detto Anatra Giovane Chung, principale scienziato dei materiali in MSD.

Gli studi con questo materiale superionico potrebbero anche essere strumentali per la progettazione di nuovi termoelettrici che convertono il calore in elettricità nelle centrali elettriche, processi industriali e persino i gas di scarico delle emissioni delle automobili. E tali studi potrebbero essere utilizzati per la progettazione di membrane per la pulizia ambientale e la desalinizzazione dell'acqua.

Questa ricerca è apparsa in a Materiali della natura .