Ze kunnen elektriciteit beter opslaan dan bijna elk materiaal op aarde, een aanval van elektromagnetische interferentie blokkeren, en het minste spoor van gifstoffen in de lucht opsnuiven, maar MXenen, het nieuwste super-materiaal-in-wacht, moeite hebben met water. Als een hark die in de regen staat, ze oxideren, en snel, wanneer opgeslagen of gemengd in water. Het is een kwestie van consequentie, Gezien enkele van de meest veelbelovende toepassingen is het nodig om MXene-vlokken in water te combineren om dingen als geleidende inkt en spuitcoatings te maken. Een doorbraak, onlangs gepubliceerd door Drexel University-onderzoekers in een Duits chemietijdschrift, waaruit blijkt dat een algemeen wateronthardend additief kan helpen om de vlokken in water te bewaren, zou de sleutel kunnen zijn tot zijn toekomstige levensvatbaarheid.

Deze atomair dunne, gelaagde materialen, die werden ontdekt bij Drexel in 2011, danken hun uitzonderlijke capaciteiten, gedeeltelijk, hun oppervlaktechemie en fysieke structuur. Maar de bron van de unieke eigenschappen van MXenes is waarschijnlijk ook hun zwakte als het gaat om oxidatie, volgens het onderzoek gepubliceerd door een team van onderzoekers van Drexel's College of Engineering.

"Oxidatie van MXenen is altijd een probleem geweest, " volgens Varun Natu, een doctoraal onderzoeker in het College en een co-auteur van het artikel "Edge Capping of 2-D-MXene Sheets with Polyanionic Salts to Mitigate Oxidation in Aqueous Colloidal Suspensions, " die werd gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie . "De meest voorkomende titaniumcarbide MXenen vertonen tekenen van oxidatie wanneer ze een week of zo in water worden bewaard; andere chemicaliën oxideren binnen enkele dagen."

Zuurstof is een probleem, niet alleen omdat het reageert met MXenes - alsof het een roestige hark zou zijn - maar het verandert ook hun oppervlaktechemie en morfologie, wat uiteindelijk hun prestaties vermindert als het gaat om taken zoals het doorgeven en opslaan van elektriciteit.

Distinguished Professor Michel Barsoum's groep in de afdeling Materials Science and Engineering, dat deel uitmaakte van het team dat MXenes ontdekte en hun toepassingen heeft verkend, was al enkele jaren op zoek naar een manier om te voorkomen dat MXenen in water oxideren. De doorbraak kwam nadat een verwante ontdekking aantoonde hoe oxidatie begint aan de randen van de MXene-platen.

Basoum's team toonde een paar maanden geleden, dat terwijl de lagen van de MXenen een negatieve oppervlaktelading hebben, de randen van de vellen hebben eigenlijk een positieve lading. Deze ontdekking, plus het feit, gevestigd in de kleiliteratuur, dat negatieve entiteiten worden aangetrokken door de randen van de kleideeltjes leidde tot de doorbraak.

"Als je polyfosfaatzouten oplost in water, ze dissociëren in de lange negatief veranderde ketens van polyfosfaten en positieve entiteiten of kationen. De eerstgenoemden worden aangetrokken door de positieve MXene-randen, sluit ze af en sluit ze af, of sterk verminderen, het oxidatieproces. Het is eenvoudige elektrostatica. Zodra deze kettingen aan de MXene-randen zitten, blokkeren ze het directe contact van water en lucht, waardoor de oxidatiesnelheid wordt verminderd, " zei Natu.

Met behulp van geavanceerde microscopietechnieken die beschikbaar zijn in het laboratorium van co-auteur Mitra Taheri, doctoraat, hoogleraar aan de hogeschool, de onderzoekers konden aantonen dat de polyfosfaatketens inderdaad aangetrokken werden door de positieve randen. En het op deze manier afdekken van de randen van de lagen met een inerte verbinding beschermt de reactieve delen van het materiaal effectief tegen direct contact met water en/of zuurstof, wat het oxidatieproces aanzienlijk vertraagt.

Gewapend met beschermende polyfosfaatkappen, MXene-vlokken in het onderzoek duurden meer dan een maand in water blootgesteld aan lucht zonder enig teken van oxidatie.

"Deze ontdekking maakt eindelijk langdurige opslag van MXenen mogelijk, wat de verwerking op industriële schaal levensvatbaar kan maken, Barsoum zei. "Vóór onze ontdekking waren de meest voorkomende methoden die werden voorgesteld, het drogen van de MXenen en bewaren in een vacuüm, opslag onder argonatmosfeer, met behulp van organische oplosmiddelen om MXene-colloïden te maken of om onder vloeibare stikstof op te slaan. Maar al deze methoden zijn niet kosteneffectief, energiezuinig of schaalbaar. Daardoor is polyfosfaattoevoeging tot nu toe de beste methode om oxidatie te voorkomen."

De groep van Barsoum testte zijn theorie met drie verschillende zouten op twee verschillende MXene-samenstellingen, waaruit blijkt dat een verscheidenheid aan moleculen effectief kan worden gebruikt om de vlokken af ​​​​te sluiten. Hoewel Drexel-onderzoekers al hebben gewezen op de mogelijkheid om MXenes te gebruiken voor toepassingen in mobiele technologie, energie opslag, draadloze communicatie, waterfiltratie en gezondheidszorg, dit werk zou kunnen leiden tot vooruitgang in de oppervlakte- en randengineering van MXenes om ze te optimaliseren voor deze en andere taken. Het team onderzoekt ook soortgelijke methoden voor het bewaren van MXenen in gedroogde vorm, wat ook de mogelijkheden voor het gebruik ervan zou verbreden.