原子快照显示超薄粘土中的快速离子迁移

曼彻斯特大学领导的研究发现，离子在原子级薄粘土中的扩散速度比在大块粘土晶体中快 10,000 倍。粘土广泛用于各种膜应用，因此该结果提供了通过在生产膜时改用超薄粘土来大幅改善海水淡化或燃料电池性能的潜力。

粘土与石墨一样，由相互堆叠的晶体层组成，可以通过机械或化学方式分离以生产超薄材料。层本身只有几个原子厚，而层之间的空间在分子上很窄并且含有离子。通过允许不同的离子种类在层之间渗透，可以以可控的方式改变层间离子。

这种称为离子交换的特性允许在膜应用中控制这些晶体的物理特性。然而，尽管它在这些新兴技术中具有相关性，但原子级薄粘土中的离子交换过程在很大程度上仍未得到探索。

由 Sarah Haigh 教授和 Marcelo Lozada-Hidalgo 博士领导的团队在Nature Materials 上撰文表明，当离子在粘土晶体的层间空间内扩散时，可以使用扫描透射电子显微镜拍摄它们的快照。这允许使用原子分辨率研究离子交换过程。研究人员很高兴地发现离子在原子级薄粘土中的扩散速度异常快——比块状晶体快 10,000 倍。

移动空间

互补的原子力显微镜测量表明，快速迁移的产生是因为将二维粘土层结合在一起的长程(范德华)力比它们的大块对应物要弱，这使得它们膨胀得更多;实际上，离子有更多的空间，因此移动得更快。

出乎意料的是，研究人员还发现，通过错位或扭曲两个粘土层，他们可以控制层间空间内取代离子的排列。观察到离子排列成簇或岛，其大小取决于层之间的扭曲角。这些排列被称为 2D 莫尔超晶格，但之前没有在 2D 离子晶格中观察到 - 仅适用于没有离子的扭曲晶体。

博士后研究员、该论文的第一作者邹亦超博士说：“我们的工作表明，粘土和云母能够制造二维金属离子超晶格。这表明研究这些新结构的光学和电子行为的可能性。可能对量子技术很重要，其中扭曲晶格正在被深入研究。”

传播的新见解

研究人员还对使用粘土和其他二维材料来了解低维离子传输的可能性感到兴奋。Marcelo Lozada-Hidalgo 补充说：“我们观察到，在原子级薄的粘土中离子交换可以加速四个数量级，这证明了二维材料控制和增强离子传输的潜力。这不仅提供了对分子狭窄扩散的全新见解。空间，但提出了为广泛应用设计材料的新策略。”

研究人员还认为，他们的“快照”技术具有更广泛的应用。Haigh 教授补充说：“在电子显微镜下用原子分辨率研究粘土确实具有挑战性，因为它们损坏得非常快。这项工作表明，通过专门的研究人员团队的一些技巧和极大的耐心，我们可以克服这些困难， “在原子尺度上研究离子扩散。我们希望这里展示的方法将进一步提供对受限水系统以及粘土作为新型膜材料的应用的新见解。”

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