原子“快照”揭示超薄黏土中的離子運動

一項新研究發現，離子在原子薄的黏土中擴散的速度是在大塊粘土晶體中的1萬倍。黏土被廣泛應用于各種膜的應用中，所以這個結果提供了一種潛力，可以通過在生產膜的時候切換到超薄的黏土來實現極大改善的海水淡化或燃料電池性能。

黏土，就像石墨一樣，由層層堆疊的晶體層組成，可通過機械或化學方法分離出超薄的材料。這些晶體層本身只有幾個原子那么厚，而層與層之間的空間很窄，還含有離子。通過允許不同的離子種類穿透層間，層間離子可以以可控的方式改變。

這種性質，稱為離子交換，它允許在膜應用中控制這些晶體的物理性質。然而，在這些新興技術中，在像原子一樣薄的黏土中離子交換過程仍然很大程度上未被探索。

曼徹斯特大學教授Sarah Haigh和Marcelo Lozada-Hidalgo領導的團隊利用掃描透射電子顯微鏡可拍攝離子在黏土晶體層間空間擴散時的快照。這使得研究離子交換過程與原子分辨率。研究人員興奮地發現，離子在原子薄的黏土中擴散速度異常快--比在大塊晶體中擴散速度快10 000倍。

互補原子力顯微鏡的測量顯示，快速遷移的出現是因為將二維黏土層結合在一起的長程(范德華力)力比它們的體積對應層要弱，這使得它們膨脹得更多；實際上，離子有更大的空間，所以移動得更快。

出乎意料的是，研究人員還發現，通過錯位或扭曲2個黏土層，他們可以控制層間空間中取代離子的排列。這些離子被觀察成簇或島狀排列，其大小取決于層之間的扭曲角度。這些排列被稱為二維莫爾超晶格，但在二維離子晶格中還未被觀察到--只在沒有離子的扭曲晶體中觀察到。

研究發現黏土和云母可以制造二維金屬離子超晶格，這意味著研究這些新結構的光學和電子行為的可能性，這可能對量子技術有重要意義。

研究人員還提出了使用黏土和其他二維材料來理解低維離子傳輸的可能性。因為觀察發現，在原子薄的黏土中，離子交換可以加速4個數量級，這證明了二維材料在控制和增強離子傳輸方面的潛力。這不僅為分子狹窄空間的擴散提供了根本的新見解，而且為廣泛應用的材料設計提出了新策略。

(來源：中國科學報)