Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hebben boor als het X-element gebruikt in een familie van materialen die MAX-fasen worden genoemd. waarvoor voorheen alleen koolstof en stikstof konden worden gebruikt. Een slimme zoekstrategie stelde hen in staat om te voorkomen dat ze hun toevlucht moesten nemen tot vallen en opstaan ​​om dit nieuwe materiaal te ontwerpen, waaruit gelaagde TiB kan worden verkregen voor toepassingen in Li- of Na-ionbatterijen.

Aangezien er tientallen elementen in het periodiek systeem zijn en duizenden mogelijke combinaties, het is geen verrassing dat onderzoekers hun toevlucht nemen tot ingenieuze manieren om te voorspellen welke verbindingen in de praktijk kunnen worden gesynthetiseerd en gunstige eigenschappen hebben. Een klasse van bruikbare materialen wordt "MAX-fasen" genoemd. Dit zijn ternaire verbindingen bestaande uit drie elementen weergegeven door M, A en X die keramische en metallische eigenschappen vertonen.

Deze verbindingen vormen gelaagde structuren waaruit de "A-laag" kan worden geëtst, het achterlaten van wat bekend staat als 2-D MXenes. MXenen hebben veel aandacht getrokken omdat ze een aantal vormen en structuren kunnen aannemen en uitstekende chemische en mechanische stabiliteit bieden. Dit maakt ze toepasbaar in een breed scala van gebieden, zoals batterijen en katalyse.

Eenheid nu, MAX-verbindingen zijn beperkt tot het gebruik van koolstof of stikstof voor het X-element. Een onderzoeksteam van Tokyo Tech, onder leiding van prof. Hideo Hosono, bestudeerde de mogelijkheid om MAX-fasen samengesteld uit titanium te synthetiseren, indium en boor:Ti ₂ InB ₂ . Gemotiveerd door het feit dat boriden veelbelovende toepassingen hebben in nano-elektronica, het team probeerde uiteindelijk TiB-gebaseerde MXenes te synthetiseren.

Omdat directe synthese van gelaagd TiB onmogelijk is, het team moest eerst een A-element bepalen voor het synthetiseren van een MAX-fase (dat wil zeggen, het middelste element in Ti-A-B). Dan zouden ze een manier moeten vinden om de A-laag uit de MAX-fase te etsen om de felbegeerde gelaagde TiB te verkrijgen. Om te bepalen welke elementen geschikt waren voor de A in de MAX-fase, ze gebruikten een slimme geautomatiseerde zoekstrategie door middel van computerondersteunde berekeningen. Ze analyseerden eerst de "binaire" structuren gevormd tussen elk van de kandidaten voor A en TiB of Ti ₃ B ₄ . Degenen die stabiel bleken, werden onderworpen aan "ternaire" berekeningen voor het bepalen van de globale stabiliteit van de ternaire verbinding.

Een laatste verificatie met zeer nauwkeurige structurele berekeningen werd uitgevoerd voor de beste kandidaten, die uiteindelijk wees op Ti ₂ InB ₂ als de beste optie. Met deze strategie, ze verminderden de rekenkosten van hun zoektocht en demonstreerden een slimme aanpak voor het vinden van gewenste ternaire verbindingen. "Er is veel vraag naar een haalbare strategie om het zoeken naar ternaire verbindingen te vereenvoudigen op basis van de beschikbare domeinkennis, " legt Hosono uit.

Het team toonde aan dat Ti ₂ InB ₂ effectief kan worden gesynthetiseerd, en onderzocht vervolgens de mogelijkheid om In uit de MAX-fase te verwijderen om de gewenste MX-fase te verkrijgen. Hoewel het team erin slaagde om gelaagde TiB uit de MAX-fase te verkrijgen, de structuur was niet precies compatibel met die van bestaande 2-D MXenes. Echter, door de noodzakelijke voorwaarden van hun aanpak af te stemmen, de onderzoekers denken dat het in de toekomst mogelijk zal zijn om TiB MXene te verkrijgen. Dus, ze voerden een aantal berekeningen uit om de superieure elektrische eigenschappen aan te tonen, hint naar zijn potentiële toepassing als een uitstekend anodemateriaal voor lithium- of natrium-ionbatterijen. "Het huidige onderzoek zal de fascinerende klasse van MAX-fasen en MXenen uitbreiden, " besluit Hosono.