科學家們通常通過仔細地選擇一個研究問題，設計出一個適合的解決方案并執行研究。但是意料之外的發現或許會在這個過程中發生。
Mercouri Kanatzidis是美國西北大學（Northwestern University）與美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室共同聘請的一位教授，他對一種新型超導體進行研究時得到了意想不到的收獲。這種超導體是一種僅有4個原子厚的材料，僅能在二維空間中研究帶電粒子的運動。這類研究可能會刺激各種能量轉換裝置的新材料的發明。
二維超離子導體α-KAg3Se2是四層原子結構。原子的顏色與原子的名字上的顏色一致。（圖片由Mercouri Kanatzidis、美國西北大學和阿貢國家實驗室提供）
美國西北大學與阿貢國家實驗室聯合任命Mercouri Kanatzidis教授說：“我們的分析結果顯示，在轉變之前，銀離子被固定在二維的密閉空間內，但在轉換后，銀離子開始有運動軌跡。”
Kanatzidis的目標材料是銀、鉀和硒的組合（α-KAg3Se2），這種材料是一種4層結構。這些二維材料只有長度和寬度，但僅有4個原子的高，幾乎是沒有高度的。
當溫度冷卻到非常的低的情況下，超導體材料會失去對電子運動的所有阻力。阿貢材料科學部（MSD）高級科學家Kanatzidis表示：“這一點是讓我很失望的，這種材料完全不能成為超導體，我們也還無法制作出超導體。但是令我驚訝的是這種材料竟可以成為超離子導體。”
在超離子導體中，固態材料中的帶電離子與電池中的液體電解質一樣自由流動。這導致固體具有非常高的離子導電性，這是導電能力的一種度量。具有高離子導電性，導熱性低的意味著熱能不能輕易穿過。這種特性使超離子導體成為儲能和轉換裝置的超級材料。
研究小組發現一種特殊屬性的材料的第一條線索是將溫度加熱到450至600華氏度之間時，這種材料變成了一種更加對稱的層狀結構。該小組還發現當溫度降低，再次升高到高溫區是，轉變是可逆的。
Kanatzidis說：“我們分析結果顯示，在轉變之前，銀離子是被固定在4種材料的二維空間內的。但轉變之后，銀離子的運動空間擴大。”雖然人們對離子在三維空間中的運動了解很多，但對它們如何在二維空間中運動卻了解很少。
科學家一直在尋找一種典型的材料來研究二維材料中的離子運動。這種層狀鉀銀硒材料似乎就是其中之一。研究小組測量了離子在固體中的散布情況，并發現相當于這種離子與重鹽水電解質，重鹽水電解質是已知速度最快的離子導體之一。
雖然現在定論這種特殊屬性的超離子材料是否能夠在實際應用中運用還為時尚早，但這種超離子材料可以立即成為設計其他具有高離子電導率和低熱導率的二維材料的關鍵。
MSD主要材料科學家Duck Young Chung說：“這些特性用于設計電池和燃料電池新型二維固體電解質是非常重要的。”
對這種超離子材料的研究也有助于設計新的熱電材料，將發電廠、工業過程甚至汽車尾氣中的熱量轉化為電能。這類研究可以用于設計用于環境凈化和水脫鹽的膜。
該研究在《Nature Materials》發表，名為“二維I型超離子導體”（“A two-dimensional type I superionic conductor”）。除了Kanatzidis 和Chung之外，作者還包括Alexander J. E. Rettie, Jingxuan Ding, Xiuquan Zhou, Michael J. Johnson, Christos D. Malliakas, Naresh C. Osti, Raymond Osborn, Olivier Delaire and Stephan Rosenkranz。研究小組包括來自阿貢實驗室，美國西北大學，DOE橡樹嶺國家實驗室（DOE’s Oak Ridge National Laboratory），倫敦大學學院（University College London）和杜克大學（Duke University）的研究人員。
研究團隊的實驗測量使用了橡樹嶺國家實驗室與，西北大學綜合分子結構教育和研究中心（Integrated Molecular Structure Education and Research Center）的散裂中子源，以及DOE科學用戶設施部門阿貢高級光子源（Argonne's Advanced Photon Source）的束線17-BM-B。他們的電腦模擬使用了阿貢高性能計算集群Bebop上提供的計算資源。
這項研究主要由DOE科學部與基礎能源科學部支持。
中國化學與物理電源行業協會 楊柳翻譯
2021.11.22