Des recherches menées par l'Université de Manchester ont révélé que les ions diffusent 10, 000 fois plus rapide à l'intérieur des argiles atomiquement minces que dans les cristaux d'argile en vrac. Les argiles sont utilisées dans une grande variété d'applications membranaires, ce résultat offre donc la possibilité d'obtenir des performances de dessalement ou de pile à combustible considérablement améliorées simplement en passant à des argiles ultra-minces lors de la production des membranes.

Argiles, comme le graphite, se composent de couches de cristal empilées les unes sur les autres et peuvent être séparées mécaniquement ou chimiquement pour produire des matériaux ultra-minces. Les couches elles-mêmes n'ont que quelques atomes d'épaisseur, tandis que l'espace entre les couches est moléculairement étroit et contient des ions. Les ions intercouches peuvent être modifiés de manière contrôlable en permettant à différentes espèces d'ions de pénétrer entre les couches.

Cette propriété, connu sous le nom d'échange d'ions, permet de contrôler les propriétés physiques de ces cristaux dans les applications membranaires. Cependant, malgré sa pertinence dans ces technologies émergentes, le processus d'échange d'ions dans les argiles atomiquement minces est resté largement inexploré.

Écrire dans Matériaux naturels , une équipe dirigée par le professeur Sarah Haigh et le Dr Marcelo Lozada-Hidalgo montre qu'il est possible de prendre des instantanés d'ions alors qu'ils diffusent à l'intérieur de l'espace intercalaire des cristaux d'argile en utilisant la microscopie électronique à transmission à balayage. Cela permet d'étudier le processus d'échange d'ions avec une résolution atomique. Les chercheurs étaient ravis de découvrir que les ions diffusent exceptionnellement rapidement dans des argiles atomiquement minces-10, 000 fois plus rapide que dans les cristaux en vrac.

De l'espace pour bouger

Des mesures complémentaires de microscopie à force atomique ont montré que la migration rapide survient parce que les forces à longue portée (van der Waals) qui lient les couches d'argile 2D sont plus faibles que dans leurs homologues en vrac, ce qui leur permet de gonfler davantage; effectivement les ions ont plus d'espace donc bougent plus vite.

De façon inattendue, les chercheurs ont également découvert qu'en désalignant ou en tordant deux couches d'argile, ils pourraient contrôler les arrangements des ions substitués dans l'espace intercalaire. On a observé que les ions s'arrangeaient en grappes ou en îlots, dont la taille dépend de l'angle de torsion entre les couches. Ces arrangements sont connus sous le nom de super-réseaux moirés 2D, mais n'avait pas été observé auparavant pour les réseaux d'ions 2D, uniquement pour les cristaux torsadés sans ions.

Dr Yichao Zou, chercheur postdoctoral et premier auteur de l'article, a déclaré:"Nos travaux montrent que les argiles et les micas permettent la fabrication de super-réseaux d'ions métalliques 2D. Cela suggère la possibilité d'étudier le comportement optique et électronique de ces nouvelles structures, qui peut avoir une importance pour les technologies quantiques, où les treillis torsadés font l'objet d'études intensives."

De nouvelles perspectives en diffusion

Les chercheurs sont également enthousiasmés par la possibilité d'utiliser des argiles et d'autres matériaux 2D pour comprendre le transport des ions dans de faibles dimensions. Marcelo Lozada-Hidalgo a ajouté :« Notre observation selon laquelle l'échange d'ions peut être accéléré de quatre ordres de grandeur dans les argiles atomiquement minces démontre le potentiel des matériaux 2D pour contrôler et améliorer le transport des ions. les espaces, mais suggère de nouvelles stratégies pour concevoir des matériaux pour un large éventail d'applications."

Les chercheurs pensent également que leur technique de « instantanés » a une application beaucoup plus large. Le professeur Haigh a ajouté:"Les argiles sont vraiment difficiles à étudier avec une résolution atomique au microscope électronique car elles s'endommagent très rapidement. Ce travail démontre qu'avec quelques astuces et beaucoup de patience d'une équipe de chercheurs dévoués, nous pouvons surmonter ces difficultés pour étudier la diffusion des ions à l'échelle atomique. Nous espérons que la méthodologie démontrée ici permettra de nouvelles connaissances sur les systèmes d'eau confinée ainsi que sur les applications des argiles en tant que nouveaux matériaux membranaires. »