นักวิทยาศาสตร์มักดำเนินการวิจัยโดยเลือกปัญหาการวิจัยอย่างรอบคอบ วางแผนที่เหมาะสมเพื่อแก้ปัญหาและดำเนินการตามแผนดังกล่าว แต่การค้นพบโดยไม่ได้วางแผนสามารถเกิดขึ้นได้ตลอดทาง

Mercouri Kanatzidis ศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัย Northwestern University ซึ่งได้รับการแต่งตั้งร่วมกันในห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Argonne ของกระทรวงพลังงานสหรัฐ (DOE) กำลังค้นหาตัวนำยิ่งยวดตัวใหม่ที่มีพฤติกรรมแปลกใหม่เมื่อเขาค้นพบสิ่งที่ไม่คาดคิด เป็นวัสดุที่มีความหนาเพียง 4 อะตอม และสามารถศึกษาการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุได้ในสองมิติเท่านั้น การศึกษาดังกล่าวสามารถกระตุ้นการประดิษฐ์วัสดุใหม่สำหรับอุปกรณ์แปลงพลังงานที่หลากหลาย

วัสดุเป้าหมายของ Kanatzidis คือการรวมกันของเงิน โพแทสเซียม และซีลีเนียม (α-KAg 3 Se 2 ) ในโครงสร้างสี่ชั้นเหมือนเค้กแต่งงาน วัสดุ 2 มิติเหล่านี้มีความยาวและความกว้าง แต่แทบไม่มีความหนาเลยที่ความสูงเพียงสี่อะตอม

วัสดุตัวนำยิ่งยวดสูญเสียความต้านทานทั้งหมดต่อการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเมื่อถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิต่ำมาก Kanatzidis ซึ่งเป็นนักวิทยาศาสตร์อาวุโสในแผนกวัสดุศาสตร์ (MSD) ของ Argonne กล่าวว่า "ความผิดหวังของฉันมาก "แต่ที่ทำให้ฉันประหลาดใจมาก มันกลับกลายเป็นตัวอย่างที่ยอดเยี่ยมของวาทยกรที่เหนือชั้น"

ในตัวนำยิ่งยวด ไอออนที่มีประจุในวัสดุที่เป็นของแข็งจะร่อนเร่อย่างอิสระพอๆ กับอิเล็กโทรไลต์เหลวที่พบในแบตเตอรี่ ส่งผลให้ของแข็งที่มีค่าการนำไฟฟ้าสูงผิดปกติ ซึ่งเป็นการวัดความสามารถในการนำไฟฟ้า ด้วยค่าการนำไฟฟ้าอิออนที่สูงนี้ทำให้ค่าการนำความร้อนต่ำ หมายความว่าความร้อนจะไม่ผ่านได้ง่าย คุณสมบัติทั้งสองนี้ทำให้ตัวนำ superionic super วัสดุสำหรับการจัดเก็บพลังงานและอุปกรณ์แปลง

เงื่อนงำแรกของทีมที่พวกเขาค้นพบวัสดุที่มีคุณสมบัติพิเศษคือเมื่อพวกเขาทำให้ร้อนขึ้นระหว่าง 450 ถึง 600 องศาฟาเรนไฮต์ มันเปลี่ยนเป็นโครงสร้างเลเยอร์ที่สมมาตรมากขึ้น ทีมงานยังพบว่าการเปลี่ยนแปลงนี้สามารถย้อนกลับได้เมื่อพวกเขาลดอุณหภูมิ จากนั้นยกขึ้นอีกครั้งในโซนอุณหภูมิสูง

"ผลการวิเคราะห์ของเราเปิดเผยว่าก่อนการเปลี่ยนแปลงนี้ ไอออนเงินได้รับการแก้ไขในพื้นที่จำกัดภายในสองมิติของวัสดุของเรา" Kanatzidis กล่าว "แต่หลังจากการเปลี่ยนแปลงนี้ พวกเขาก็กระดิกไปมา" แม้ว่าเราจะทราบกันมากว่าไอออนเคลื่อนที่ไปอย่างไรในสามมิติ แต่ไม่ค่อยมีใครทราบเกี่ยวกับวิธีที่ไอออนเคลื่อนที่ไปมาในสองมิติเท่านั้น

นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นหามาระยะหนึ่งเพื่อค้นหาวัสดุที่เป็นแบบอย่างเพื่อตรวจสอบการเคลื่อนที่ของไอออนในวัสดุ 2 มิติ วัสดุโพแทสเซียม-เงิน-ซีลีเนียมที่เป็นชั้นนี้ดูเหมือนจะเป็นวัสดุเดียวกัน ทีมงานวัดว่าไอออนกระจายตัวอย่างไรในของแข็งนี้ และพบว่ามีค่าเทียบเท่ากับอิเล็กโทรไลต์น้ำเค็มจัด ซึ่งเป็นหนึ่งในตัวนำไอออนิกที่เร็วที่สุดที่รู้จัก

แม้ว่าจะยังเร็วเกินไปที่จะบอกได้ว่าวัสดุที่มีประจุไฟฟ้าเหนือไอออนนี้อาจพบว่ามีการใช้งานจริงหรือไม่ แต่ก็สามารถใช้เป็นแพลตฟอร์มที่สำคัญสำหรับการออกแบบวัสดุ 2D อื่นๆ ที่มีค่าการนำไฟฟ้าไอออนสูงและมีค่าการนำความร้อนต่ำในทันที

"คุณสมบัติเหล่านี้มีความสำคัญมากสำหรับผู้ที่ออกแบบอิเล็กโทรไลต์แข็งแบบสองมิติใหม่สำหรับแบตเตอรี่และเซลล์เชื้อเพลิง" Duck Young Chung นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุหลักใน MSD กล่าว

การศึกษาด้วยวัสดุ superionic นี้อาจเป็นเครื่องมือสำหรับการออกแบบเทอร์โมอิเล็กทริกใหม่ที่แปลงความร้อนเป็นไฟฟ้าในโรงไฟฟ้า กระบวนการทางอุตสาหกรรม และแม้แต่ก๊าซไอเสียจากการปล่อยรถยนต์ และการศึกษาดังกล่าวสามารถนำมาใช้สำหรับการออกแบบเยื่อกรองเพื่อทำความสะอาดสิ่งแวดล้อมและการแยกน้ำออกจากน้ำ

งานวิจัยนี้ปรากฏในบทความของ Nature Materials เรื่อง "ตัวนำ superionic แบบสองมิติ I" นอกจาก Kanatzidis และ Chung แล้ว ผู้เขียนยังรวมถึง Alexander JE Rettie, Jingxuan Ding, Xiuquan Zhou, Michael J. Johnson, Christos D. Malliakas, Naresh C. Osti, Raymond Osborn, Olivier Delaire และ Stephan Rosenkranz ทีมงานประกอบด้วยนักวิจัยจาก Argonne, Northwestern, DOE"s Oak Ridge National Laboratory, University College London และ Duke University

การวัดผลการทดลองของทีมใช้ Spallation Neutron Source ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Oak Ridge ศูนย์การศึกษาและวิจัยโครงสร้างโมเลกุลแบบบูรณาการที่ Northwestern และ beamline 17-BM-B ที่ Advanced Photon Source ของ Argonne สำนักงาน DOE Office of Science User Facility การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ของพวกเขาใช้ทรัพยากรการคำนวณที่มีให้ใน Bebop ซึ่งเป็นคลัสเตอร์การประมวลผลประสิทธิภาพสูงที่ Argonne

งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนหลักจากสำนักงานวิทยาศาสตร์ของกระทรวงสาธารณสุข สำนักงานวิทยาศาสตร์พลังงานขั้นพื้นฐานสล็อตออนไลน์ 918kiss