La investigación dirigida por la Universidad de Manchester ha encontrado que los iones difunden 10, 000 veces más rápido dentro de arcillas atómicamente delgadas que en cristales de arcilla a granel. Las arcillas se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones de membranas, por lo que este resultado ofrece el potencial de lograr una desalinización o un rendimiento de la pila de combustible muy mejorados simplemente cambiando a arcillas ultrafinas al producir las membranas.

Arcillas como el grafito, consisten en capas de cristal apiladas una encima de la otra y pueden separarse mecánica o químicamente para producir materiales ultrafinos. Las capas mismas tienen solo unos pocos átomos de espesor, mientras que el espacio entre capas es molecularmente estrecho y contiene iones. Los iones de la capa intermedia se pueden alterar de forma controlable permitiendo que diferentes especies de iones penetren entre las capas.

Esta propiedad, conocido como intercambio iónico, permite el control de las propiedades físicas de estos cristales en aplicaciones de membranas. 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.

Escribiendo en Materiales de la naturaleza , 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 entre capas de cristales de arcilla utilizando microscopía electrónica de transmisión de barrido. Esto permite estudiar el proceso de intercambio iónico con resolución atómica. Los investigadores estaban entusiasmados al 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

Las mediciones complementarias de microscopía de fuerza atómica mostraron que la migración rápida surge porque las fuerzas de largo alcance (van der Waals) que unen las capas de arcilla 2D son más débiles que en sus contrapartes a granel. lo que les permite hincharse más; efectivamente, los iones tienen más espacio, así que se mueven más rápido.

Inesperadamente, Los investigadores también encontraron que al desalinear o torcer dos capas de arcilla, podrían controlar la disposición de los iones sustituidos dentro del espacio entre capas. Se observó que los iones se organizaban 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 había observado antes para las redes de iones 2D, solo para los cristales retorcidos sin iones.

Dr. Yichao Zou, investigador postdoctoral y primer autor del artículo, dijo:"Nuestro trabajo muestra que las arcillas y las micas 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 tener importancia para las tecnologías cuánticas, donde las celosías retorcidas se están investigando intensamente ".

Nuevos conocimientos 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. Esto no solo proporciona conocimientos fundamentalmente nuevos sobre la difusión en moléculas molecularmente estrechas 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 en el microscopio electrónico, ya que se dañan muy rápidamente. Este trabajo demuestra 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 demostrada aquí permita nuevos conocimientos sobre los sistemas de agua confinada, así como en las aplicaciones de arcillas como nuevos materiales de membrana ".