Las instantáneas atómicas muestran una rápida migración de iones en arcillas ultrafinas

Una investigación de la Universidad de Manchester ha descubierto que los iones se difunden 10.000 veces más rápido dentro de arcillas atómicamente delgadas que en cristales sueltos de arcilla. Las arcillas se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones de membranas, por lo que este resultado ofrece la posibilidad de mejorar significativamente el rendimiento de la desalinización o la pila de combustible simplemente cambiando a arcillas ultrafinas durante la producción de la membrana.

Las arcillas, como el grafito, están formadas por capas de cristales apilados uno encima del otro y pueden separarse mecánica o químicamente para producir ultra-materiales delgados. Las capas en sí tienen solo unos pocos átomos de espesor, mientras que el espacio entre las capas es molecularmente estrecho y contiene iones. Los iones de las capas intermedias se pueden cambiar de forma controlable permitiendo que diferentes especies de iones penetren entre las capas.

Esta propiedad, conocida como intercambio iónico, permite controlar las propiedades físicas de estos cristales en aplicaciones de membrana. Sin embargo, a pesar de su relevancia en estas tecnologías emergentes, el proceso de intercambio iónico en arcillas atómicamente delgadas ha permanecido en gran parte inexplorado.

Escribir en Materiales naturales, un equipo dirigido por la profesora Sarah Haigh y el Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo muestra que es posible tomar instantáneas de iones a medida que se difunden dentro del espacio intercalado de arcilla Cristales en microscopía electrónica de transmisión de barrido. Esto permite estudiar el proceso de intercambio iónico con resolución atómica. Los investigadores estaban encantados de descubrir que los iones se difunden excepcionalmente rápido en arcillas atómicamente delgadas, 10.000 veces más rápido que en cristales a granel.

Espacio para moverse

Otras mediciones de microscopía de fuerza atómica han demostrado que la migración rápida se produce porque las fuerzas de largo alcance (van der Waals) que unen las capas de arcilla 2D son más débiles que en sus contrapartes sueltas, lo que les permite hincharse más; de hecho, los iones tienen más espacio y, por lo tanto, se mueven más rápido.

Inesperadamente, los investigadores también encontraron que al desalinear o torcer dos capas de arcilla, podían controlar la disposición de los iones sustituidos en el espacio intermedio. Se ha observado que los iones se organizan en grupos o islas, cuyo tamaño depende del ángulo de torsión entre las capas. Estos arreglos se conocen como superredes de muaré 2D, pero no se habían observado previamente para matrices de iones 2D, solo para cristales retorcidos sin iones.

El Dr. Yichao Zou, investigador postdoctoral y primer autor del artículo, dijo: “Nuestro trabajo muestra que las arcillas y la mica permiten la fabricación de superredes de iones metálicos 2D. Esto sugiere la posibilidad de estudiar el comportamiento óptico y electrónico de estas nuevas estructuras, que pueden ser de importancia para las tecnologías cuánticas, donde se estudian intensamente las redes trenzadas. «

Nuevas perspectivas en difusión

Los investigadores también están entusiasmados con la posibilidad de utilizar arcillas y otros materiales 2D para comprender el transporte de iones en dimensiones reducidas. Marcelo Lozada-Hidalgo agregó: “Nuestra observación de que el intercambio iónico puede acelerarse en cuatro órdenes de magnitud en arcillas atómicamente delgadas demuestra el potencial de los materiales 2D para controlar y mejorar el transporte de iones. espacios, pero sugiere nuevas estrategias para diseñar materiales para una amplia gama de aplicaciones «.

Los investigadores también creen que su técnica de «instantáneas» tiene una aplicación mucho más amplia. El profesor Haigh agregó: «Las arcillas son realmente difíciles de estudiar con resolución atómica bajo un microscopio electrónico porque se deterioran muy rápidamente. Este trabajo muestra que con algunos trucos y mucha paciencia de un equipo dedicado de investigadores, podemos superar estas dificultades. para estudiar la difusión de iones a escala atómica. Esperamos que la metodología aquí demostrada permita más perspectivas nuevas sobre los sistemas de agua confinada, así como sobre las aplicaciones de las arcillas como nuevos materiales de membrana.