Une découverte imprévue pourrait conduire à de futures découvertes cruciales dans les batteries, les piles à combustible, les dispositifs de conversion de la chaleur en électricité et plus encore.
Les scientifiques mènent normalement leurs recherches en sélectionnant soigneusement un problème de recherche, en concevant un plan approprié pour le résoudre et en exécutant ce plan. Mais des découvertes imprévues peuvent se produire en cours de route.
Mercouri Kanatzidis, professeur à Université du nord-ouest avec une nomination conjointe au laboratoire national d’Argonne du département américain de l’Énergie (DOE), était à la recherche d’un nouveau supraconducteur au comportement non conventionnel lorsqu’il a fait une découverte inattendue. C’était un matériau qui n’a que quatre atomes d’épaisseur et qui permet d’étudier le mouvement des particules chargées en seulement deux dimensions. De telles études pourraient stimuler l’invention de nouveaux matériaux pour une variété de dispositifs de conversion d’énergie.
“Nos résultats d’analyse ont révélé qu’avant cette transition, les ions d’argent étaient fixés dans l’espace confiné dans les deux dimensions de notre matériau, mais après cette transition, ils se sont agités.” – Mercouri Kanatzidis, co-affectation avec Argonne et Northwestern University
Le matériau cible de Kanatzidis était une combinaison d’argent, de potassium et de sélénium (a-KAg3je connais2) dans une structure à quatre couches comme un gâteau de mariage. Ces matériaux 2D ont une longueur et une largeur, mais presque aucune épaisseur à seulement quatre atomes de haut.
Les matériaux supraconducteurs perdent toute résistance au mouvement des électrons lorsqu’ils sont refroidis à des températures très basses. « À ma grande déception, ce matériau n’était pas du tout un supraconducteur, et nous n’avons pas pu en faire un », a déclaré Kanatzidis, scientifique senior à la Division des sciences des matériaux (MSD) d’Argonne. “Mais à ma grande surprise, cela s’est avéré être un exemple fantastique de conducteur superionique.”
Dans les conducteurs superioniques, les ions chargés d’un matériau solide circulent aussi librement que dans les électrolytes liquides des batteries. Il en résulte un solide avec une conductivité ionique inhabituellement élevée, une mesure de la capacité à conduire l’électricité. Cette conductivité ionique élevée s’accompagne d’une faible conductivité thermique, ce qui signifie que la chaleur ne passe pas facilement. Ces deux propriétés font des conducteurs superioniques des supermatériaux pour les dispositifs de stockage et de conversion d’énergie.
Structure atomique à quatre couches de α-KAg3Se2, un conducteur superionique 2D. Les couleurs des atomes sont coordonnées avec les couleurs du nom. Crédit: Image de Mercouri Kanatzidis/Northwestern University et Argonne National Laboratory
Le premier indice de l’équipe qu’ils avaient découvert un matériau avec des propriétés spéciales était quand ils l’ont chauffé jusqu’à entre 450 et 600 degrés Fahrenheit. Il est passé à une structure en couches plus symétrique. L’équipe a également constaté que cette transition était réversible lorsqu’elle abaissait la température, puis l’élevait à nouveau dans la zone de température élevée.
“Nos résultats d’analyse ont révélé qu’avant cette transition, les ions d’argent étaient fixés dans l’espace confiné dans les deux dimensions de notre matériau”, a déclaré Kanatzidis. “Mais après cette transition, ils se sont agités.” Alors que l’on sait beaucoup de choses sur la façon dont les ions se déplacent en trois dimensions, on en sait très peu sur la façon dont ils le font en deux dimensions seulement.
Les scientifiques recherchent depuis un certain temps un matériau exemplaire pour étudier le mouvement des ions dans les matériaux 2D. Ce matériau stratifié potassium-argent-sélénium semble en être un. L’équipe a mesuré la façon dont les ions se diffusaient dans ce solide et l’a trouvé équivalent à celui d’un électrolyte d’eau fortement salée, l’un des conducteurs ioniques connus les plus rapides.
Bien qu’il soit trop tôt pour dire si ce matériau superionique particulier pourrait trouver une application pratique, il pourrait immédiatement servir de plate-forme cruciale pour la conception d’autres matériaux 2D à haute conductivité ionique et à faible conductivité thermique.
« Ces propriétés sont très importantes pour ceux qui conçoivent de nouveaux électrolytes solides bidimensionnels pour les batteries et les piles à combustible », a déclaré Duck Young Chung, principal scientifique des matériaux chez MSD.
Les études avec ce matériau superionique pourraient également être déterminantes pour la conception de nouveaux thermoélectriques qui convertissent la chaleur en électricité dans les centrales électriques, les processus industriels et même les gaz d’échappement des émissions automobiles. Et de telles études pourraient être utilisées pour concevoir des membranes pour le nettoyage environnemental et le dessalement de l’eau.
Cette recherche est apparue dans un Matériaux naturels article intitulé « Un conducteur superionique de type I à deux dimensions ». Outre Kanatzidis et Chung, les auteurs incluent Alexander JE Rettie, Jingxuan Ding, Xiuquan Zhou, Michael J. Johnson, Christos D. Malliakas, Naresh C. Osti, Raymond Osborn, Olivier Delaire et Stephan Rosenkranz. L’équipe comprend des chercheurs d’Argonne, Northwestern, du laboratoire national d’Oak Ridge du DOE, de l’University College London et de l’Université Duke.
Référence : « A two-dimensional type I superionic conduct » par Alexander JE Rettie, Jingxuan Ding, Xiuquan Zhou, Michael J. Johnson, Christos D. Malliakas, Naresh C. Osti, Duck Young Chung, Raymond Osborn, Olivier Delaire, Stephan Rosenkranz et Mercouri G. Kanatzidis, 22 juillet 2021, Matériaux naturels.
DOI : 10.1038/s41563-021-01053-9
Les mesures expérimentales de l’équipe ont utilisé la source de neutrons de spallation du laboratoire national d’Oak Ridge, le centre d’éducation et de recherche sur la structure moléculaire intégrée du nord-ouest et la ligne de faisceau 17-BM-B de la source de photons avancée d’Argonne, une installation utilisateur du bureau scientifique du DOE. Leurs simulations informatiques ont utilisé les ressources de calcul fournies sur Bebop, un cluster de calcul haute performance à Argonne.
Cette recherche a été principalement soutenue par le DOE Office of Science, Office of Basic Energy Sciences.
