一项新研究发现，离子在原子薄的黏土中扩散的速度是在大块粘土晶体中的1万倍。黏土被广泛应用于各种膜的应用中，所以这个结果提供了一种潜力，可以通过在生产膜的时候切换到超薄的黏土来实现极大改善的海水淡化或燃料电池性能。

黏土，就像石墨一样，由层层堆叠的晶体层组成，可通过机械或化学方法分离出超薄的材料。这些晶体层本身只有几个原子那么厚，而层与层之间的空间很窄，还含有离子。通过允许不同的离子种类穿透层间，层间离子可以以可控的方式改变。

这种性质，称为离子交换，它允许在膜应用中控制这些晶体的物理性质。然而，在这些新兴技术中，在像原子一样薄的黏土中离子交换过程仍然很大程度上未被探索。

曼彻斯特大学教授Sarah Haigh和Marcelo Lozada-Hidalgo领导的团队利用扫描透射电子显微镜可拍摄离子在黏土晶体层间空间扩散时的快照。这使得研究离子交换过程与原子分辨率。研究人员兴奋地发现，离子在原子薄的黏土中扩散速度异常快--比在大块晶体中扩散速度快10 000倍。

互补原子力显微镜的测量显示，快速迁移的出现是因为将二维黏土层结合在一起的长程(范德华力)力比它们的体积对应层要弱，这使得它们膨胀得更多；实际上，离子有更大的空间，所以移动得更快。

出乎意料的是，研究人员还发现，通过错位或扭曲2个黏土层，他们可以控制层间空间中取代离子的排列。这些离子被观察成簇或岛状排列，其大小取决于层之间的扭曲角度。……