Una scoperta casuale potrebbe portare a future scoperte cruciali per batterie, celle a combustibile, dispositivi per convertire il calore in elettricità e altro ancora. Mercouri Kanatzidis, professore alla Northwestern University con un incarico congiunto presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), stava cercando un nuovo superconduttore con un comportamento non convenzionale quando ha fatto una scoperta inaspettata. Era un materiale che ha uno spessore di soli quattro atomi e consente di studiare il movimento delle particelle cariche in sole due dimensioni. Tali studi potrebbero stimolare l'invenzione di nuovi materiali per una varietà di dispositivi di conversione dell'energia.
"I risultati della nostra analisi hanno rivelato che, prima di questa transizione, gli ioni d'argento erano fissati nello spazio ristretto all'interno delle due dimensioni del nostro materiale, ma dopo questa transizione, si muovevano intorno", ha spiegato Kanatzidis. Il materiale bersaglio di Kanatzidis era una combinazione di argento, potassio e selenio (α-KAg3Se2) in una struttura a quattro strati come una torta nuziale. Questi materiali 2D hanno lunghezza e larghezza, ma quasi nessuno spessore a soli quattro atomi di altezza.
I materiali superconduttori perdono ogni resistenza al movimento degli elettroni quando raffreddati a temperature molto basse. "Con mia grande delusione, questo materiale non era affatto un superconduttore, e non potevamo farne uno", ha detto Kanatzidis, che è uno scienziato senior nella Divisione di Scienza dei Materiali (MSD) di Argonne. "Ma con mia grande sorpresa, si è rivelato un fantastico esempio di direttore superionico."
Nei conduttori superionici, gli ioni carichi in un materiale solido vagano liberamente come negli elettroliti liquidi presenti nelle batterie. Ciò si traduce in un solido con conduttività ionica insolitamente elevata, una misura della capacità di condurre elettricità. Con questa elevata conduttività ionica arriva una bassa conduttività termica, il che significa che il calore non passa facilmente. Entrambe queste proprietà rendono i conduttori superionici super materiali per dispositivi di accumulo e conversione dell'energia.
Gli scienziati hanno cercato per qualche tempo di trovare un materiale esemplare per studiare il movimento ionico nei materiali 2D. Questo materiale stratificato di potassio-argento-selenio sembra essere uno di questi. Il team ha misurato come gli ioni si diffondono in questo solido e lo ha trovato equivalente a quello di un elettrolita di acqua pesantemente salata, uno dei conduttori ionici più veloci conosciuti.
È ancora troppo presto per dire se questo particolare materiale superionico potrebbe trovare un'applicazione pratica, potrebbe immediatamente servire come piattaforma cruciale per la progettazione di altri materiali 2D con elevata conduttività ionica e bassa conduttività termica. Gli studi con questo materiale superionico potrebbero anche essere strumentali per la progettazione di nuovi termoelettrici che convertono il calore in elettricità nelle centrali elettriche, nei processi industriali e persino nei gas di scarico delle emissioni delle automobili.