Forskning ledd av University of Manchester har funnit att joner diffunderar 10, 000 gånger snabbare inuti atomärt tunna leror än i bulk-lerkristaller. Leror används i en mängd olika membrantillämpningar, så detta resultat erbjuder potentialen att uppnå avsevärt förbättrad avsaltning eller bränslecellsprestanda helt enkelt genom att byta till ultratunna leror när membranen tillverkas.

Leror, som grafit, består av kristalllager staplade ovanpå varandra och kan separeras mekaniskt eller kemiskt för att producera ultratunna material. Själva lagren är bara några få atomer tjocka, medan utrymmet mellan lagren är molekylärt smalt och innehåller joner. Mellanskiktjonerna kan förändras på ett kontrollerbart sätt genom att låta olika jonarter penetrera mellan skikten.

Denna fastighet, känd som jonbyte, möjliggör kontroll av de fysikaliska egenskaperna hos dessa kristaller i membrantillämpningar. Dock, trots dess relevans i dessa framväxande teknologier, jonbytesprocessen i atomärt tunna leror har förblivit i stort sett outforskad.

Skriver in Naturmaterial , ett team under ledning av professor Sarah Haigh och Dr Marcelo Lozada-Hidalgo visar att det är möjligt att ta ögonblicksbilder av joner när de diffunderar in i mellanskiktsutrymmet av lerkristaller med hjälp av sveptransmissionselektronmikroskopi. Detta möjliggör studier av jonbytesprocessen med atomär upplösning. Forskarna var glada över att finna att joner diffunderar exceptionellt snabbt i atomärt tunna leror—10, 000 gånger snabbare än i bulkkristaller.

Utrymme att röra sig på

Komplementära atomkraftmikroskopmätningar visade att den snabba migrationen uppstår eftersom de långväga (van der Waals) krafterna som binder samman 2D-lerlagren är svagare än i deras bulkmotsvarigheter, vilket gör att de kan svälla mer; effektivt har jonerna mer utrymme så rör sig snabbare.

Oväntat, forskarna fann också att genom att felinrikta eller vrida två lerlager, de kunde kontrollera arrangemangen av de substituerade jonerna inom mellanskiktsutrymmet. Jonerna observerades ordna sig i kluster eller öar, vars storlek beror på vridningsvinkeln mellan lagren. Dessa arrangemang är kända som 2D moire supergitter, men hade inte observerats tidigare för 2D jongitter - endast för tvinnade kristaller utan joner.

Dr Yichao Zou, postdoktor och första författare till artikeln, sa:"Vårt arbete visar att leror och glimmer möjliggör tillverkning av 2D metalljonsupergitter. Detta antyder möjligheten att studera det optiska och elektroniska beteendet hos dessa nya strukturer, som kan ha betydelse för kvantteknik, där vridna galler undersöks intensivt."

Nya insikter i diffusion

Forskarna är också entusiastiska över möjligheten att använda leror och andra 2D-material för att förstå jontransport i låga dimensioner. Marcelo Lozada-Hidalgo tillade:"Vår observation att jonbyte kan accelereras med fyra storleksordningar i atomärt tunna leror visar potentialen hos 2D-material för att kontrollera och förbättra jontransport. Detta ger inte bara fundamentalt nya insikter om diffusion i molekylärt smala utrymmen, men föreslår nya strategier för att designa material för ett brett spektrum av applikationer."

Forskarna tror också att deras "snapshots"-teknik har mycket bredare tillämpning. Professor Haigh tillade:"Leror är verkligen utmanande att studera med atomupplösning i elektronmikroskopet eftersom de skadar mycket snabbt. Detta arbete visar att med några få knep och mycket tålamod från ett dedikerat team av forskare, vi kan övervinna dessa svårigheter för att studera jondiiffusion på atomär skala. Vi hoppas att den metod som visas här ytterligare kommer att möjliggöra nya insikter i slutna vattensystem såväl som i tillämpningar av leror som nya membranmaterial."