Uma pesquisa liderada pela Universidade de Manchester descobriu que os íons se difundem 10.000 vezes mais rápido dentro de argilas atomicamente finas do que em cristais de argila a granel. As argilas são usadas em uma ampla variedade de aplicações de membrana, portanto, este resultado oferece o potencial para alcançar uma dessalinização muito melhor ou desempenho de célula de combustível simplesmente mudando para argilas ultrafinas ao produzir as membranas.
As argilas, como a grafite, consistem em camadas de cristal empilhadas umas sobre as outras e podem ser separadas mecânica ou quimicamente para produzir materiais ultrafinos. As próprias camadas têm apenas alguns átomos de espessura, enquanto o espaço entre as camadas é molecularmente estreito e contém íons. Os íons intercamadas podem ser alterados de maneira controlável, permitindo que diferentes espécies de íons penetrem entre as camadas.
Essa propriedade, conhecida como troca iônica, permite o controle das propriedades físicas desses cristais em aplicações de membrana. No entanto, apesar de sua relevância nessas tecnologias emergentes, o processo de troca iônica em argilas atomicamente finas permaneceu amplamente inexplorado.
Escrevendo na Nature Materials, uma equipe liderada pela professora Sarah Haigh e Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo mostra que é possível tirar instantâneos de íons enquanto eles se difundem no espaço intercamadas de cristais de argila usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura. Isso permite estudar o processo de troca iônica com resolução atômica. Os pesquisadores ficaram entusiasmados ao descobrir que os íons se difundem excepcionalmente rápido em argilas atomicamente finas – 10.000 vezes mais rápido do que em cristais em massa.
Espaço para mover
Medições complementares de microscopia de força atômica mostraram que a migração rápida surge porque as forças de longo alcance (van der Waals) que unem as camadas de argila 2D são mais fracas do que em suas contrapartes em massa, o que lhes permite inchar mais; efetivamente os íons têm mais espaço, então mova-se mais rápido.
Inesperadamente, os pesquisadores também descobriram que, desalinhando ou torcendo duas camadas de argila, eles podiam controlar os arranjos dos íons substituídos dentro do espaço entre as camadas. Observou-se que os íons se organizaram em aglomerados ou ilhas, cujo tamanho depende do ângulo de torção entre as camadas. Esses arranjos são conhecidos como superredes moiré 2D, mas não tinham sido observados antes para redes iônicas 2D – apenas para cristais torcidos sem íons.
Dr. Yichao Zou, pesquisador de pós-doutorado e primeiro autor do artigo, disse: “Nosso trabalho mostra que argilas e micas permitem a fabricação de superredes de íons metálicos 2D. Isso sugere a possibilidade de estudar o comportamento óptico e eletrônico dessas novas estruturas, que pode ter importância para as tecnologias quânticas, onde redes torcidas estão sendo intensamente investigadas. ”
Novos insights sobre difusão
Os pesquisadores também estão entusiasmados com a possibilidade de usar argilas e outros materiais 2D para entender o transporte de íons em dimensões baixas. Marcelo Lozada-Hidalgo acrescentou: “Nossa observação de que a troca iônica pode ser acelerada em quatro ordens de magnitude em argilas atomicamente finas demonstra o potencial dos materiais 2D para controlar e melhorar o transporte de íons. Isso não apenas fornece fundamentalmente novos insights sobre a difusão em estruturas molecularmente estreitas espaços, mas sugere novas estratégias para projetar materiais para uma ampla gama de aplicações. ”
Os pesquisadores também acreditam que sua técnica de “instantâneos” tem uma aplicação muito mais ampla. O professor Haigh acrescentou: “As argilas são realmente desafiadoras para estudar com resolução atômica no microscópio eletrônico, pois se danificam muito rapidamente. Este trabalho demonstra que, com alguns truques e muita paciência de uma equipe dedicada de pesquisadores, podemos superar essas dificuldades para estudar a difusão de íons em escala atômica. Esperamos que a metodologia demonstrada aqui permita novos insights em sistemas de água confinada, bem como em aplicações de argilas como novos materiais de membrana. “
Publicado em 30/08/2021 11h51
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