En oplanerad upptäckt kan leda till framtida avgörande upptäckter i batterier, bränsleceller, anordningar för att omvandla värme till el med mera.

Forskare bedriver normalt sin forskning genom att noggrant välja ett forskningsproblem, utarbeta en lämplig plan för att lösa det och genomföra den planen. Men oplanerade upptäckter kan hända längs vägen.

Mercouri Kanatzidis, professor vid Northwestern University med en gemensam utnämning i U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory, letade efter en ny supraledare med okonventionellt beteende när han gjorde en oväntad upptäckt. Det var ett material som bara är fyra atomer tjockt och gör det möjligt att studera rörelsen hos laddade partiklar i endast två dimensioner. Sådana studier skulle kunna stimulera uppfinningen av nya material för en mängd olika energiomvandlingsanordningar.

"Våra analysresultat visade att före denna övergång, silverjonerna fixerades i det begränsade utrymmet inom de två dimensionerna av vårt material, men efter denna övergång, de vickade runt, "säger Mercouri Kanatzidis, gemensamt möte med Argonne och Northwestern University

Kanatzidis målmaterial var en kombination av silver, kalium och selen (α-KAg ₃ Se ₂ ) i en struktur med fyra lager som en bröllopstårta. Dessa 2D-material har längd och bredd, men nästan ingen tjocklek på endast fyra atomer höga.

Supraledande material förlorar allt motstånd mot elektronernas rörelse när de kyls till mycket låga temperaturer. "Till min besvikelse, detta material var inte alls en supraledare, och vi kunde inte göra det till en, "sa Kanatzidis, som är senior forskare vid Argonnes Materials Science Division (MSD). "Men till min förvåning, det visade sig vara ett fantastiskt exempel på en överjonisk ledare."

I superioniska ledare, de laddade jonerna i ett fast material strövar ungefär lika fritt som i de flytande elektrolyterna som finns i batterier. Detta resulterar i ett fast ämne med ovanligt hög jonledningsförmåga, ett mått på förmågan att leda elektricitet. Med denna höga jonledningsförmåga kommer låg värmeledningsförmåga, vilket innebär att värme inte passerar lätt. Båda dessa egenskaper gör superjoniska ledare till supermaterial för energilagrings- och omvandlingsanordningar.

Teamets första ledtråd om att de hade upptäckt ett material med speciella egenskaper var när de värmde upp det till mellan 450 och 600 grader Fahrenheit. Det övergick till en mer symmetrisk skiktad struktur. Teamet fann också att denna övergång var reversibel när de sänkte temperaturen, höjde den sedan igen till högtemperaturzonen.

"Våra analysresultat visade att före denna övergång, silverjonerna fixerades i det trånga utrymmet inom materialets två dimensioner, sade Kanatzidis. Men efter denna övergång, de vickade runt." Även om mycket är känt om hur joner rör sig i tre dimensioner, mycket lite är känt om hur de gör det i bara två dimensioner.

Forskare har länge letat efter ett exemplifierande material för att undersöka jonrörelser i 2D -material. Detta skiktade kalium-silver-selenmaterial verkar vara ett. Teamet mätte hur jonerna diffunderade i detta fasta ämne och fann att det motsvarade en kraftigt saltad vattenelektrolyt, en av de snabbaste kända jonledarna.

Även om det är för tidigt att säga om just detta superioniska material kan hitta praktisk tillämpning, det kan omedelbart fungera som en avgörande plattform för att designa andra 2D-material med hög jonledningsförmåga och låg värmeledningsförmåga.

"Dessa egenskaper är mycket viktiga för dem som designar nya tvådimensionella fasta elektrolyter för batterier och bränsleceller, " sa Duck Young Chung, huvudmaterialvetare inom MSD.

Studier med detta superioniska material kan också vara avgörande för att designa ny termoelektrik som omvandlar värme till elektricitet i kraftverk, industriella processer och till och med avgaser från bilutsläpp. Och sådana studier kan användas för att designa membran för miljörensning och avsaltning av vatten.

Denna forskning dök upp i en Naturmaterial .