Une découverte imprévue pourrait conduire à de futures découvertes cruciales dans les batteries, réservoirs de carburant, dispositifs pour convertir la chaleur en électricité et plus encore.

Les scientifiques mènent normalement leurs recherches en sélectionnant soigneusement un problème de recherche, concevoir un plan approprié pour le résoudre et exécuter ce plan. Mais des découvertes imprévues peuvent se produire en cours de route.

Mercouri Kanatzidis, professeur à l'Université Northwestern avec une nomination conjointe au Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), était à la recherche d'un nouveau supraconducteur au comportement non conventionnel lorsqu'il a fait une découverte inattendue. C'était un matériau qui n'a que quatre atomes d'épaisseur et qui permet d'étudier le mouvement des particules chargées en seulement deux dimensions. De telles études pourraient stimuler l'invention de nouveaux matériaux pour une variété de dispositifs de conversion d'énergie.

"Nos résultats d'analyse ont révélé que, avant cette transition, les ions d'argent étaient fixés dans l'espace confiné à l'intérieur des deux dimensions de notre matériau, mais après cette transition, ils se sont agités, " dit Mercouri Kanatzidis, nomination conjointe avec Argonne et Northwestern University

Le matériau cible de Kanatzidis était une combinaison d'argent, potassium et sélénium (α-KAg 3 Se 2 ) dans une structure à quatre couches comme un gâteau de mariage. Ces matériaux 2D ont une longueur et une largeur, mais presque aucune épaisseur à seulement quatre atomes de haut.

Les matériaux supraconducteurs perdent toute résistance au mouvement des électrons lorsqu'ils sont refroidis à des températures très basses. « À ma grande déception, ce matériau n'était pas du tout un supraconducteur, et nous ne pouvions pas en faire un, " dit Kanatzidis, qui est un scientifique principal à la Division des sciences des matériaux (MSD) d'Argonne. "Mais à ma grande surprise, il s'est avéré être un exemple fantastique de conducteur superionique."

Dans les conducteurs superioniques, les ions chargés dans un matériau solide se déplacent à peu près aussi librement que dans les électrolytes liquides trouvés dans les batteries. Il en résulte un solide avec une conductivité ionique inhabituellement élevée, une mesure de la capacité de conduire l'électricité. Cette conductivité ionique élevée s'accompagne d'une faible conductivité thermique, ce qui signifie que la chaleur ne passe pas facilement. Ces deux propriétés font des conducteurs superioniques des supermatériaux pour les dispositifs de stockage et de conversion d'énergie.

Le premier indice de l'équipe qu'ils avaient découvert un matériau avec des propriétés spéciales était quand ils l'ont chauffé jusqu'à entre 450 et 600 degrés Fahrenheit. Il est passé à une structure en couches plus symétrique. L'équipe a également constaté que cette transition était réversible lorsqu'elle abaissait la température, puis l'a soulevé à nouveau dans la zone de température élevée.

"Nos résultats d'analyse ont révélé que, avant cette transition, les ions d'argent étaient fixés dans l'espace confiné à l'intérieur des deux dimensions de notre matériau, " dit Kanatzidis. " Mais après cette transition, ils se tortillaient." Bien que l'on sache bien comment les ions se déplacent en trois dimensions, très peu est connu sur la façon dont ils le font dans seulement deux dimensions.

Les scientifiques recherchent depuis un certain temps un matériau exemplaire pour étudier le mouvement des ions dans les matériaux 2D. Ce matériau stratifié potassium-argent-sélénium semble en être un. L'équipe a mesuré la diffusion des ions dans ce solide et l'a trouvé équivalent à celui d'un électrolyte d'eau fortement salée, l'un des conducteurs ioniques les plus rapides connus.

Bien qu'il soit trop tôt pour dire si ce matériau superionique particulier pourrait trouver une application pratique, il pourrait immédiatement servir de plate-forme cruciale pour la conception d'autres matériaux 2D à haute conductivité ionique et à faible conductivité thermique.

« Ces propriétés sont très importantes pour ceux qui conçoivent de nouveaux électrolytes solides bidimensionnels pour les batteries et les piles à combustible, " a déclaré le jeune canard Chung, scientifique principal des matériaux en MSD.

Des études avec ce matériau superionique pourraient également être déterminantes pour la conception de nouveaux thermoélectriques qui convertissent la chaleur en électricité dans les centrales électriques, procédés industriels et même les gaz d'échappement des émissions automobiles. Et de telles études pourraient être utilisées pour concevoir des membranes pour le nettoyage environnemental et le dessalement de l'eau.

Cette recherche est apparue dans un Matériaux naturels .