Une équipe de chercheurs de l'Université d'Hokkaido a développé une nouvelle méthode de synthèse de matériaux appelée introduction d'ions entraînée par des protons (PDII) qui utilise un phénomène similaire au "billard ionique". La nouvelle méthode pourrait ouvrir la voie à la création de nombreux nouveaux matériaux, faisant ainsi considérablement progresser les sciences des matériaux.

La méthode de synthèse est basée sur un processus sans liquide qui permet l'intercalation - l'insertion d'ions invités dans un matériau hôte - et la substitution d'ions avec ceux du matériau hôte en entraînant des ions avec des protons. Cette étude, dirigé par le professeur adjoint Masaya Fujioka et le professeur Junji Nishii à l'Institut de recherche en sciences électriques de l'université, a été publié dans le Journal de la société chimique américaine le 16 novembre.

Classiquement, l'intercalation et la substitution ionique ont été réalisées dans une solution ionique, mais le processus est considéré comme lourd et problématique. Dans un procédé à base liquide, des molécules de solvant peuvent être insérées dans les matériaux hôtes avec des ions invités, dégrader la qualité du cristal. Il est également difficile d'introduire de manière homogène des ions dans les matériaux hôtes, et certains matériaux hôtes ne conviennent pas lorsqu'ils sont utilisés avec des liquides.

Dans la méthode PDII, une haute tension de plusieurs kilovolts est appliquée à une anode en forme d'aiguille placée dans l'hydrogène atmosphérique pour générer des protons via la dissociation électrolytique de l'hydrogène. Les protons migrent le long du champ électrique et sont projetés dans la source d'alimentation des ions souhaités - similaires aux boules de billard - et les ions sont chassés de la source pour la maintenir électriquement neutre. Des ions forcés hors de la source sont introduits, ou intercalé, dans un espace de niveau nanométrique dans le matériau hôte.

Dans cette étude, en utilisant différents matériaux comme sources d'alimentation en ions, l'équipe a réussi à introduire de manière homogène des ions lithium (Li ⁺ ), ions sodium (Na ⁺ ), ions potassium (K ⁺ ), ions cuivre (Cu ⁺ ) et des ions argent (Ag ⁺ ) dans des lacunes de niveau nanométrique dans le sulfure de tantale (IV) (TaS2), un matériau en couches, tout en conservant sa cristallinité. Par ailleurs, l'équipe a réussi à remplacer Na ⁺ de Na3V2(PO4)3 avec K ⁺ , produire un matériau thermodynamiquement métastable, qui ne peut pas être obtenu en utilisant la méthode conventionnelle de réaction à l'état solide.

"Maintenant, nous avons montré que les ions hydrogène (H ⁺ ), Li ⁺ , N / A ⁺ , K ⁺ , Cu ⁺ et Ag ⁺ peut être utilisé pour introduire des ions dans notre méthode, et nous nous attendons à ce qu'une plus grande variété d'ions soit utilisable. En les combinant avec divers matériaux hôtes, notre méthode pourrait permettre la production de nombreux nouveaux matériaux, " dit Masaya Fujioka. " En particulier, si une méthode pour introduire des ions chargés négativement et des ions multivalents est établie, cela stimulera le développement de nouveaux matériaux fonctionnels dans les domaines des batteries à ions solides et de l'électronique."