曼徹斯特大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究發(fā)現(xiàn)，離子在原子級(jí)薄粘土中的擴(kuò)散速度比在大塊粘土晶體中快 10,000 倍。粘土廣泛用于各種膜應(yīng)用，因此該結(jié)果提供了通過(guò)在生產(chǎn)膜時(shí)改用超薄粘土來(lái)大幅改善海水淡化或燃料電池性能的潛力。

粘土與石墨一樣，由相互堆疊的晶體層組成，可以通過(guò)機(jī)械或化學(xué)方式分離以生產(chǎn)超薄材料。層本身只有幾個(gè)原子厚，而層之間的空間在分子上很窄并且含有離子。通過(guò)允許不同的離子種類(lèi)在層之間滲透，可以以可控的方式改變層間離子。

這種稱(chēng)為離子交換的特性允許在膜應(yīng)用中控制這些晶體的物理特性。然而，盡管它在這些新興技術(shù)中具有相關(guān)性，但原子級(jí)薄粘土中的離子交換過(guò)程在很大程度上仍未得到探索。

由 Sarah Haigh 教授和 Marcelo Lozada-Hidalgo 博士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在Nature Materials 上撰文表明，當(dāng)離子在粘土晶體的層間空間內(nèi)擴(kuò)散時(shí)，可以使用掃描透射電子顯微鏡拍攝它們的快照。這允許使用原子分辨率研究離子交換過(guò)程。研究人員很高興地發(fā)現(xiàn)離子在原子級(jí)薄粘土中的擴(kuò)散速度異?？?mdash;—比塊狀晶體快 10,000 倍。

移動(dòng)空間

互補(bǔ)的原子力顯微鏡測(cè)量表明，快速遷移的產(chǎn)生是因?yàn)閷⒍S粘土層結(jié)合在一起的長(zhǎng)程(范德華)力比它們的大塊對(duì)應(yīng)物要弱，這使得它們膨脹得更多;實(shí)際上，離子有更多的空間，因此移動(dòng)得更快。

出乎意料的是，研究人員還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)錯(cuò)位或扭曲兩個(gè)粘土層，他們可以控制層間空間內(nèi)取代離子的排列。觀察到離子排列成簇或島，其大小取決于層之間的扭曲角。這些排列被稱(chēng)為 2D 莫爾超晶格，但之前沒(méi)有在 2D 離子晶格中觀察到 - 僅適用于沒(méi)有離子的扭曲晶體。

博士后研究員、該論文的第一作者鄒亦超博士說(shuō)：“我們的工作表明，粘土和云母能夠制造二維金屬離子超晶格。這表明研究這些新結(jié)構(gòu)的光學(xué)和電子行為的可能性。可能對(duì)量子技術(shù)很重要，其中扭曲晶格正在被深入研究。”

傳播的新見(jiàn)解

研究人員還對(duì)使用粘土和其他二維材料來(lái)了解低維離子傳輸?shù)目赡苄愿械脚d奮。Marcelo Lozada-Hidalgo 補(bǔ)充說(shuō)：“我們觀察到，在原子級(jí)薄的粘土中離子交換可以加速四個(gè)數(shù)量級(jí)，這證明了二維材料控制和增強(qiáng)離子傳輸?shù)臐摿?。這不僅提供了對(duì)分子狹窄擴(kuò)散的全新見(jiàn)解?？臻g，但提出了為廣泛應(yīng)用設(shè)計(jì)材料的新策略。”

研究人員還認(rèn)為，他們的“快照”技術(shù)具有更廣泛的應(yīng)用。Haigh 教授補(bǔ)充說(shuō)：“在電子顯微鏡下用原子分辨率研究粘土確實(shí)具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗鼈儞p壞得非常快。這項(xiàng)工作表明，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的研究人員團(tuán)隊(duì)的一些技巧和極大的耐心，我們可以克服這些困難， “在原子尺度上研究離子擴(kuò)散。我們希望這里展示的方法將進(jìn)一步提供對(duì)受限水系統(tǒng)以及粘土作為新型膜材料的應(yīng)用的新見(jiàn)解。”

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