Ett team av forskare från Hokkaido University har utvecklat en ny metod för materialsyntes som kallas protondriven jonintroduktion (PDII) som använder ett fenomen som liknar "jonbiljard". Den nya metoden kan bana väg för att skapa många nya material, materialvetenskapen drastiskt framåt.

Syntesmetoden är baserad på en vätskefri process som möjliggör interkalering – införande av gästjoner i ett värdmaterial – och jonsubstitution med de i värdmaterialet genom att driva joner med protoner. Den här studien, ledd av biträdande professor Masaya Fujioka och professor Junji Nishii vid universitetets forskningsinstitut för elvetenskap, publicerades i Journal of American Chemical Society den 16 november.

Konventionellt, interkalering och jonsubstitution har utförts i en jonlösning, men processen betraktas som besvärlig och problematisk. I en vätskebaserad process, lösningsmedelsmolekyler kan infogas i värdmaterialet tillsammans med gästjoner, försämrar kristallkvaliteten. Det är också svårt att homogent införa joner i värdmaterial, och vissa värdmaterial är inte lämpliga när de används med vätskor.

I PDII-metoden, en hög spänning på flera kilovolt appliceras på en nålformad anod placerad i atmosfäriskt väte för att generera protoner via elektrolytisk disassociation av väte. Protonerna vandrar längs det elektriska fältet och skjuts in i försörjningskällan för de önskade jonerna – liknande bollar i biljard – och jonerna drivs ut ur källan för att hålla den elektriskt neutral. Joner som tvingas ut ur källan introduceras, eller intercalated, i ett gap på nanometernivå i värdmaterialet.

I den här studien, genom att använda olika material som jonförsörjningskällor, teamet lyckades homogent introducera litiumjoner (Li ⁺ ), natriumjoner (Na ⁺ ), kaliumjoner (K ⁺ ), kopparjoner (Cu ⁺ ) och silverjoner (Ag ⁺ ) i nanometernivågap i tantal (IV) sulfid (TaS2), ett skiktat material, samtidigt som den bibehåller sin kristallinitet. Vidare, laget ersatte framgångsrikt Na ⁺ av Na3V2(PO4)3 med K ⁺ , producerar ett termodynamiskt metastabilt material, som inte kan erhållas med den konventionella reaktionsmetoden i fast tillstånd.

"För närvarande, vi har visat att vätejoner (H ⁺ ), Li ⁺ , Na ⁺ , K ⁺ , Cu ⁺ och Ag ⁺ kan användas för att introducera joner i vår metod, och vi förväntar oss att en större mängd joner kommer att kunna användas. Genom att kombinera dem med olika värdmaterial, vår metod skulle kunna möjliggöra produktion av många nya material, " säger Masaya Fujioka. "I synnerhet, om en metod för att introducera negativt laddade joner och multivalenta joner etableras, det kommer att stimulera utvecklingen av nya funktionella material inom områdena solidjonbatterier och elektronik."