在進(jìn)行研究時(shí)，科學(xué)家們通常會(huì)先精心選擇研究主題，然后再設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)慕鉀Q計(jì)劃，并執(zhí)行該計(jì)劃。然而，在這一過程中，可能會(huì)有意外的發(fā)現(xiàn)。據(jù)外媒報(bào)道，Mercouri Kanatzidis教授不僅是西北大學(xué)（Northwestern University）的教授，而且在美國能源部的阿貢國家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）擔(dān)任聯(lián)合職務(wù)。他在尋找一種具有非常規(guī)行為的新型超導(dǎo)體時(shí)，有了意想不到的發(fā)現(xiàn)。這是一種只有四個(gè)原子厚度的材料，僅允許在二維空間內(nèi)研究帶電粒子的運(yùn)動(dòng)。這些研究可能會(huì)推動(dòng)發(fā)明用于各種能量轉(zhuǎn)換裝置的新材料。
二維超離子導(dǎo)體α-KAg3Se2的四層原子結(jié)構(gòu)，原子顏色與圖中名稱顏色相符。（圖片來源：阿貢實(shí)驗(yàn)室）
Kanatzidis的目標(biāo)材料是一種銀、鉀和硒的混合物（α-KAg3Se2），呈四層結(jié)構(gòu)，就像婚禮蛋糕一樣。這些2D材料具有長(zhǎng)度和寬度，但幾乎沒有厚度，只有四個(gè)原子高。
超導(dǎo)材料在冷卻到極低溫度時(shí)，會(huì)失去所有對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的阻力。Kanatzidis表示：“令人失望的是，這種材料根本不是超導(dǎo)體，我們也不能讓它成為超導(dǎo)體。但是，讓我大吃一驚的是，這竟然是一個(gè)超離子導(dǎo)體的夢(mèng)幻般的例子?！?
在超離子導(dǎo)體中，帶電離子在固體材料中，可以像在電池的液體電解質(zhì)中一樣自由漫游，從而使固體具有異常高的離子電導(dǎo)率，這是導(dǎo)電能力的衡量標(biāo)準(zhǔn)。這種高離子電導(dǎo)率帶來了低熱導(dǎo)率，這意味著熱量不容易通過。這兩種特性加在一起，使超離子導(dǎo)體成為可用于能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換設(shè)備的超級(jí)材料。
該研究小組發(fā)現(xiàn)了這種具有特殊性質(zhì)的材料，第一條線索是，當(dāng)把這種材料加熱到華氏450-600度之間時(shí)，它會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N更對(duì)稱的分層結(jié)構(gòu)。研究人員還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降低溫度，然后再升到高溫區(qū)時(shí)，這種轉(zhuǎn)變是可逆的。Mercouri Kanatzidis表示：“分析結(jié)果顯示，在轉(zhuǎn)變之前，銀離子被固定在材料中有限的二維空間內(nèi)。然而，在發(fā)生轉(zhuǎn)變之后，它們會(huì)左右搖擺。”雖然人們對(duì)離子在三維空間中的運(yùn)動(dòng)了解很多，但對(duì)其在二維空間中的運(yùn)動(dòng)卻知之甚少。
一段時(shí)間以來，科學(xué)家們一直在尋找一種示范性材料，以用于研究2D材料中的離子運(yùn)動(dòng)。這種層狀鉀銀硒材料似乎可成為其中之一。該團(tuán)隊(duì)測(cè)量了離子在這種固體中的擴(kuò)散方式，發(fā)現(xiàn)它與重鹽水電解質(zhì)（已知最快的離子導(dǎo)體之一）相當(dāng)。
現(xiàn)在判斷這種特殊的超離子材料是否可以得到實(shí)際應(yīng)用，還為時(shí)過早。但是，這種材料馬上就可以成為設(shè)計(jì)其他具有高離子導(dǎo)電性和低導(dǎo)熱系數(shù)2D材料的關(guān)鍵平臺(tái)。MSD首席材料科學(xué)家Duck Young Chung表示：“對(duì)于設(shè)計(jì)用于電池和燃料電池的新型二維固體電解質(zhì)而言，這些特性具有重要意義?！?
對(duì)這種超離子材料的研究，也可能有助于設(shè)計(jì)新的熱電材料，在發(fā)電廠、工業(yè)過程甚至汽車尾氣中，將熱能轉(zhuǎn)化為電能。這些研究可用于設(shè)計(jì)用于環(huán)境凈化和水淡化的膜。
