Estructura atómica de cuatro capas de α-KAg 3 Se 2 , un conductor superiónico 2D. Los colores de los átomos están coordinados con los colores del nombre. Crédito:Mercouri Kanatzidis / Northwestern University y Argonne National Laboratory
Un descubrimiento no planificado podría conducir a futuros descubrimientos fundamentales en baterías, celdas de combustible, dispositivos para convertir calor en electricidad y más.
Los científicos normalmente realizan su investigación seleccionando cuidadosamente un problema de investigación, diseñar un plan adecuado para resolverlo y ejecutar ese plan. Pero pueden ocurrir descubrimientos imprevistos en el camino.
Mercouri Kanatzidis, profesor de la Universidad Northwestern con un nombramiento conjunto en el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), estaba buscando un nuevo superconductor con un comportamiento poco convencional cuando hizo un descubrimiento inesperado. Era un material que tiene solo cuatro átomos de espesor y permite estudiar el movimiento de partículas cargadas en solo dos dimensiones. Dichos estudios podrían impulsar la invención de nuevos materiales para una variedad de dispositivos de conversión de energía.
"Los resultados de nuestro análisis revelaron que, antes de esta transición, los iones de plata se fijaron en el espacio confinado dentro de las dos dimensiones de nuestro material, pero después de esta transición, se movieron alrededor, "dice Mercouri Kanatzidis, cita conjunta con Argonne y Northwestern University
El material objetivo de Kanatzidis era una combinación de plata, potasio y selenio (α-KAg 3 Se 2 ) en una estructura de cuatro capas como un pastel de bodas. Estos materiales 2D tienen largo y ancho, pero casi sin espesor con solo cuatro átomos de altura.
Los materiales superconductores pierden toda la resistencia al movimiento de los electrones cuando se enfrían a temperaturas muy bajas. "Para mi decepción, este material no era un superconductor en absoluto, y no pudimos hacerlo uno, "dijo Kanatzidis, quien es un científico senior en la División de Ciencia de Materiales (MSD) de Argonne. "Pero para mi sorpresa, resultó ser un ejemplo fantástico de un director superiónico ".
En conductores superiónicos, los iones cargados en un material sólido deambulan tan libremente como en los electrolitos líquidos que se encuentran en las baterías. Esto da como resultado un sólido con una conductividad iónica inusualmente alta, una medida de la capacidad para conducir electricidad. Con esta alta conductividad iónica viene una baja conductividad térmica, lo que significa que el calor no pasa fácilmente. Ambas propiedades hacen que los conductores superiónicos sean supermateriales para dispositivos de almacenamiento y conversión de energía.
La primera pista del equipo de que habían descubierto un material con propiedades especiales fue cuando lo calentaron a entre 450 y 600 grados Fahrenheit. Se transformó en una estructura en capas más simétrica. El equipo también encontró que esta transición era reversible cuando bajaron la temperatura, luego lo elevó de nuevo a la zona de alta temperatura.
"Los resultados de nuestro análisis revelaron que, antes de esta transición, los iones de plata se fijaron en el espacio confinado dentro de las dos dimensiones de nuestro material, ", dijo Kanatzidis." Pero después de esta transición, se movían. "Si bien se sabe mucho sobre cómo se mueven los iones en tres dimensiones, se sabe muy poco sobre cómo lo hacen en solo dos dimensiones.
Los científicos han estado buscando durante algún tiempo para encontrar un material ejemplar para investigar el movimiento de iones en materiales 2D. Este material en capas de potasio-plata-selenio parece ser uno. El equipo midió cómo se difundían los iones en este sólido y encontró que era equivalente a la de un electrolito de agua muy salada. uno de los conductores iónicos más rápidos conocidos.
Si bien es demasiado pronto para decir si este material superiónico en particular podría encontrar una aplicación práctica, inmediatamente podría servir como una plataforma crucial para diseñar otros materiales 2D con alta conductividad iónica y baja conductividad térmica.
"Estas propiedades son muy importantes para quienes diseñan nuevos electrolitos sólidos bidimensionales para baterías y pilas de combustible, "dijo Duck Young Chung, científico principal de materiales en MSD.
Los estudios con este material superiónico también podrían ser fundamentales para diseñar nuevas termoeléctricas que conviertan el calor en electricidad en las centrales eléctricas. procesos industriales e incluso gases de escape de las emisiones de automóviles. Y tales estudios podrían usarse para diseñar membranas para la limpieza ambiental y desalación de agua.
Esta investigación apareció en un Materiales de la naturaleza .
