原子“快照”揭示超薄黏土中的離子運(yùn)動(dòng)

一項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，離子在原子薄的黏土中擴(kuò)散的速度是在大塊粘土晶體中的1萬倍。黏土被廣泛應(yīng)用于各種膜的應(yīng)用中，所以這個(gè)結(jié)果提供了一種潛力，可以通過在生產(chǎn)膜的時(shí)候切換到超薄的黏土來實(shí)現(xiàn)極大改善的海水淡化或燃料電池性能。

黏土，就像石墨一樣，由層層堆疊的晶體層組成，可通過機(jī)械或化學(xué)方法分離出超薄的材料。這些晶體層本身只有幾個(gè)原子那么厚，而層與層之間的空間很窄，還含有離子。通過允許不同的離子種類穿透層間，層間離子可以以可控的方式改變。

這種性質(zhì)，稱為離子交換，它允許在膜應(yīng)用中控制這些晶體的物理性質(zhì)。然而，在這些新興技術(shù)中，在像原子一樣薄的黏土中離子交換過程仍然很大程度上未被探索。

曼徹斯特大學(xué)教授Sarah Haigh和Marcelo Lozada-Hidalgo領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)利用掃描透射電子顯微鏡可拍攝離子在黏土晶體層間空間擴(kuò)散時(shí)的快照。這使得研究離子交換過程與原子分辨率。研究人員興奮地發(fā)現(xiàn)，離子在原子薄的黏土中擴(kuò)散速度異?？?-比在大塊晶體中擴(kuò)散速度快10 000倍。

互補(bǔ)原子力顯微鏡的測量顯示，快速遷移的出現(xiàn)是因?yàn)閷⒍S黏土層結(jié)合在一起的長程(范德華力)力比它們的體積對應(yīng)層要弱，這使得它們膨脹得更多；實(shí)際上，離子有更大的空間，所以移動(dòng)得更快。

出乎意料的是，研究人員還發(fā)現(xiàn)，通過錯(cuò)位或扭曲2個(gè)黏土層，他們可以控制層間空間中取代離子的排列。這些離子被觀察成簇或島狀排列，其大小取決于層之間的扭曲角度。這些排列被稱為二維莫爾超晶格，但在二維離子晶格中還未被觀察到--只在沒有離子的扭曲晶體中觀察到。

研究發(fā)現(xiàn)黏土和云母可以制造二維金屬離子超晶格，這意味著研究這些新結(jié)構(gòu)的光學(xué)和電子行為的可能性，這可能對量子技術(shù)有重要意義。

研究人員還提出了使用黏土和其他二維材料來理解低維離子傳輸?shù)目赡苄?。因?yàn)橛^察發(fā)現(xiàn)，在原子薄的黏土中，離子交換可以加速4個(gè)數(shù)量級，這證明了二維材料在控制和增強(qiáng)離子傳輸方面的潛力。這不僅為分子狹窄空間的擴(kuò)散提供了根本的新見解，而且為廣泛應(yīng)用的材料設(shè)計(jì)提出了新策略。

(來源：中國科學(xué)報(bào))