图片来源：曼彻斯特大学

一项新研究发现，离子在原子薄的粘土中扩散的速度是在大块粘土晶体中的1万倍。粘土被广泛应用于各种膜的应用中，所以这个结果提供了一种潜力，可以通过在生产膜的时候切换到超薄的粘土来实现极大改善的海水淡化或燃料电池性能。

粘土，就像石墨一样，由层层堆叠的晶体层组成，可通过机械或化学方法分离出超薄的材料。这些晶体层本身只有几个原子那么厚，而层与层之间的空间很窄，还含有离子。通过允许不同的离子种类穿透层间，层间离子可以以可控的方式改变。

这种性质，称为离子交换，它允许在膜应用中控制这些晶体的物理性质。然而，在这些新兴技术中，在像原子一样薄的粘土中离子交换过程仍然很大程度上未被探索。

曼彻斯特大学教授Sarah Haigh和Marcelo Lozada-Hidalgo领导的团队近日在《自然—材料》发表论文称，利用扫描透射电子显微镜可拍摄离子在粘土晶体层间空间扩散时的快照。这使得研究离子交换过程与原子分辨率。研究人员兴奋地发现，离子在原子薄的粘土中扩散速度异常快——比在大块晶体中扩散速度快10000倍。

互补原子力显微镜的测量显示，快速迁移的出现是因为将二维粘土层结合在一起的长程（范德华力）力比它们的体积对应层要弱，这使得它们膨胀得更多；实际上，离子有更大的空间，所以移动得更快。

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中取代离子的排列。这些离子被观察成簇或岛状排列，其大小取决于层之间的扭曲角度。这些排列被称为二维莫尔超晶格，但在二维离子晶格中还未被观察到——只在没有离子的扭曲晶体中观察到。

“我们的工作表明，粘土和云母可以制造二维金属离子超晶格。这意味着研究这些新结构的光学和电子行为的可能性，这可能对量子技术有重要意义，扭曲晶格正在被集中研究。”该论文第一作者、博士后邹义超（音译）说。

研究人员还对使用粘土和其他二维材料来理解低维离子传输的可能性感到兴奋。“我们的观察表明，在原子薄的粘土中，离子交换可以加速四个数量级，这证明了二维材料在控制和增强离子传输方面的潜力。这不仅为分子狭窄空间的扩散提供了根本的新见解，而且为广泛应用的材料设计提出了新策略。”Marcelo Lozada-Hidalgo补充说。

研究人员还认为，他们的“快照”技术有更广泛的应用。“粘土在电子显微镜下的原子分辨率研究非常具有挑战性，因为它们损伤非常快。这项工作表明，通过一些技巧和一个专门的研究团队的大量耐心，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深入研究承压水系统，以及粘土作为新型膜材料的应用。”Haigh说。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41563-021-01072-6