La ricerca condotta dall'Università di Manchester ha scoperto che gli ioni diffondono 10, 000 volte più veloce all'interno di argille atomicamente sottili rispetto ai cristalli di argilla sfusi. Le argille sono utilizzate in un'ampia varietà di applicazioni a membrana, quindi questo risultato offre il potenziale per ottenere una desalinizzazione notevolmente migliorata o prestazioni delle celle a combustibile semplicemente passando ad argille ultrasottili durante la produzione delle membrane.

Argille, come la grafite, sono costituiti da strati di cristallo impilati uno sopra l'altro e possono essere separati meccanicamente o chimicamente per produrre materiali ultrasottili. Gli strati stessi sono spessi solo pochi atomi, mentre lo spazio tra gli strati è molecolarmente stretto e contiene ioni. Gli ioni interstrato possono essere alterati in modo controllabile consentendo a diverse specie di ioni di penetrare tra gli strati.

Questa proprietà, noto come scambio ionico, consente il controllo delle proprietà fisiche di questi cristalli nelle applicazioni a membrana. Però, nonostante la sua rilevanza in queste tecnologie emergenti, il processo di scambio ionico nelle argille atomicamente sottili è rimasto in gran parte inesplorato.

Scrivendo in Materiali della natura , un team guidato dalla professoressa Sarah Haigh e dal dottor Marcelo Lozada-Hidalgo mostra che è possibile scattare istantanee degli ioni mentre si diffondono all'interno dello spazio intercalare dei cristalli di argilla utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione. Ciò consente lo studio del processo di scambio ionico con risoluzione atomica. I ricercatori erano entusiasti di scoprire che gli ioni si diffondono in modo eccezionalmente veloce in argille atomicamente sottili:10, 000 volte più veloce rispetto ai cristalli sfusi.

Spazio per muoversi

Le misurazioni complementari di microscopia a forza atomica hanno mostrato che la migrazione rapida si verifica perché le forze a lungo raggio (van der Waals) che legano insieme gli strati di argilla 2D sono più deboli rispetto alle loro controparti sfuse, che permette loro di gonfiarsi di più; effettivamente gli ioni hanno più spazio quindi si muovono più velocemente.

inaspettatamente, i ricercatori hanno anche scoperto che disallineando o torcendo due strati di argilla, potrebbero controllare le disposizioni degli ioni sostituiti all'interno dello spazio intercalare. È stato osservato che gli ioni si dispongono in gruppi o isole, la cui dimensione dipende dall'angolo di torsione tra gli strati. Queste disposizioni sono note come superreticoli moiré 2D, ma non era stato osservato prima per reticoli ionici 2D, solo per cristalli contorti senza ioni.

Dott. Yichao Zou, ricercatore post-dottorato e primo autore dell'articolo, ha dichiarato:"Il nostro lavoro mostra che le argille e le miche consentono la fabbricazione di superreticoli di ioni metallici 2D. Ciò suggerisce la possibilità di studiare il comportamento ottico ed elettronico di queste nuove strutture, che possono avere importanza per le tecnologie quantistiche, dove i reticoli contorti vengono intensamente studiati."

Nuove intuizioni nella diffusione

I ricercatori sono anche entusiasti della possibilità di utilizzare argille e altri materiali 2D per comprendere il trasporto ionico in dimensioni ridotte. Marcelo Lozada-Hidalgo ha aggiunto:"La nostra osservazione che lo scambio ionico può essere accelerato di quattro ordini di grandezza in argille atomicamente sottili dimostra il potenziale dei materiali 2D per controllare e migliorare il trasporto di ioni. Ciò non solo fornisce fondamentalmente nuove intuizioni sulla diffusione in molecole molecolarmente strette. spazi, ma suggerisce nuove strategie per progettare materiali per un'ampia gamma di applicazioni."

I ricercatori ritengono inoltre che la loro tecnica delle "istantanee" abbia un'applicazione molto più ampia. Il professor Haigh ha aggiunto:"Le argille sono davvero difficili da studiare con risoluzione atomica al microscopio elettronico poiché si danneggiano molto rapidamente. Questo lavoro dimostra che con pochi trucchi e molta pazienza da parte di un team di ricercatori dedicato, possiamo superare queste difficoltà per studiare la diffusione ionica su scala atomica. Ci auguriamo che la metodologia dimostrata qui consentirà ulteriormente nuove intuizioni sui sistemi di acque confinate e sulle applicazioni delle argille come nuovi materiali per membrane".