Кіріспе
Ионның қабатты құрылымды материалға қайтымды енуі. Химияда интеркаляция – молекуланың (немесе ионның) қабатты құрылымды материалдың қабаттары арасына қайтымды түрде енуі немесе қосылуы. Мысалдар графит пен көшу металдарының дихалькогенидтерінде кездеседі.
In chemistry, intercalation is the reversible inclusion or insertion of a molecule (or ion) into layered materials with layered structures. Examples are found in graphite and transition metal dichalcogenides.
Графит
Бір танымал интеркаляциялық қабылдаушы – графит, ол қонақ ретінде калийді интеркаляциялайды. Интеркаляция жапырақшалар арасындағы ван дер Ваальс кеңістігін кеңейтеді, бұл энергияны талап етеді. Әдетте, бұл энергия қонақ пен қабылдаушы қатты дене арасындағы заряд алмасу арқылы, яғни тотығу-тотықсыздану (редокс) процесі арқылы беріледі. Калий графитінің екі қосылысы – KC8 және KC24. Көміртек фторидтері (мысалы, (CF)x және (C4F)) фтордың графиттік көміртекпен реакцияласуы арқылы дайындалады. Түсі сұрғылт, ақ немесе сары болады. Көміртек пен фтор атомдары арасындағы байланыс ковалентті, сондықтан фтор интеркаляцияланбайды. Мұндай материалдар түрлі литий аккумуляторларында катод ретінде қарастырылған. Окистанушы заттардың қатысуымен графитті күшті қышқылдармен өңдеу графиттің тотығуына себеп болады. [C24]+[HSO4]− графит бисульфаты күкірт қышқылы және аздаған азот қышқылы немесе хром қышқылы қолданылып, осы тәсілмен дайындалады. Сол сияқты, графит перхлоратын перхлор қышқылымен реакция арқылы да жасауға болады.
Литий-ионды аккумуляторлар
2020 жылдардың басында интеркалация процесінің ең ірі және кең таралған қолданыстарының бірі – литий-иондық электрохимиялық энергия сақтау саласы, оның ішінде көптеген қолға ұсталатын электрондық құрылғылардың, көлік құралдарының, электр көліктерінің және қуатты электр батареяларын сақтау станцияларының батареяларында қолданылады. 2023 жылға қарай барлық коммерциялық литий-иондық элементтер белсенді материал ретінде интеркалациялық қосылыстарды пайдаланады, ал көпшілігі оларды батареяның физикалық құрылымындағы катод және анодта қолданады. 2012 жылы Гуденоф, Язами және Йошино үш ғалым интеркалацияланған литий-иондық батареяны жасағаны үшін 2012 жылғы IEEE қоршаған орта және қауіпсіздік технологиялары медалімен марапатталды. Кейіннен Гуденоф, Уиттингхэм және Йошино "литий-иондық батареяларды дамытқаны үшін" 2019 жылғы Химия бойынша Нобель сыйлығына ие болды.
Қабық алу
Интеркаляцияның ең шекті жағдайы – материал қабаттарының толық бөлінуі. Бұл процеске эксфолиация (қабатты айыру) деп аталады. Әдетте, мұндай процеске жоғары полярлы еріткіштер мен күшті реагенттерді қолдану қажет.
Қатынасты материалдар
Биохимияда интеркалация – молекулалардың ДНҚ негіздері арасына енуі. Бұл процесс ДНҚ-ны талдау әдісі ретінде қолданылады және кейбір улану түрлерінің себебі болып табылады. Клатраттар – молекулаларды тұтқындап немесе құрамында сақтайтын торлы құрылымнан тұратын химиялық заттар. Клатраттық қосылыстар көбінесе полимерлі болып, қонақ молекуланы толық қоршайды. Инклюзиялық қосылыстар көбінесе молекулалар болып табылады, ал клатраттар әдетте полимерлі. Интеркалациялық қосылыстар клатраттық қосылыстар сияқты үш өлшемді емес. IUPAC анықтамасына сәйкес, клатраттар – "қонақ молекуласы қосқыш молекуладан немесе қосқыш молекулалардың торынан құралған қуысқа орналасқан инклюзиялық қосылыстар".