Ontdekt door onderzoekers van Drexel University als elektroden voor energietoepassingen, MXenes zijn een onderzoeksfocus geworden voor KAUST. Husam Alshareef en zijn team zijn gespecialiseerd in het maken van nanomaterialen voor elektronische en energietoepassingen. Ze veranderen ze in apparaten, zoals supercondensatoren, batterijen en sensoren. Het chemisch actieve oppervlak en de sterk geleidende kern van MXenes maken ze een ideaal kandidaatmateriaal voor het geavanceerde materiaalonderzoek van de groep.

MXenen bestaan ​​meestal uit een kern van titanium- en koolstofatomen, slechts een paar atomen dik. Dit metallische materiaal (een carbide of nitride) heeft een elektrisch geleidingsvermogen dat vergelijkbaar is met een koperdraad. Het boven- en onderoppervlak van de MXene is bedekt met metaal-zuurstof (bijv. Ti-O) en metaal-hydroxyl (bijv. Ti-OH) bindingen, die chemisch en elektrochemisch actief zijn. "Deze combinatie van eigenschappen maakt MXenes uniek, " legt Alshareef uit.

"Onderzoekers van KAUST hebben baanbrekende bijdragen geleverd aan toepassingen van MXenes in elektronische apparaten en sensoren, " zegt Joeri Gogotsi, een professor van de Drexel University in de Verenigde Staten, een van de ontdekkers van MXenes. "Ze hebben ze van het materiële stadium naar het apparaatstadium verplaatst dankzij hun ervaring met elektronica. Dit is erg belangrijk en kan een beslissend moment zijn in de praktische implementatie van MXenes in de industrie."

Beginnen bij het begin

"Het hebben van de knowhow om MXenes van goede kwaliteit te bereiden, is de sleutel tot het bereiken van uitstekende prestaties, " zegt Alshareef. Om de 2-D MXene atomaire kristallen te maken, het moedermateriaal, bekend als MAX-fase, wordt eerst bereid met behulp van conventionele keramische verwerkingstechnologie. De M in MAX staat voor een overgangsmetaal, zoals titaan; A is typisch aluminium; en X is koolstof of stikstof. Oplossingsverwerkingsmethoden worden gebruikt om aluminium selectief te verwijderen om tweedimensionale kristallen te creëren. Deze kristallen worden in suspensies geplaatst die vervolgens worden gebruikt om films te maken, gels, vellen en kwantumdots van MXene.

De uitdaging bij het maken van MXenes is dat temperaturen tot wel 1700 graden Celsius nodig zijn om de bovenliggende MAX-fase te maken, en HF is nodig om het aluminium uit te etsen. "We ontwikkelen processen om de syntheseprotocollen te vereenvoudigen en om ze milieuvriendelijker en energiezuiniger te maken voor te bereiden, ' Zegt Alshareef.

Nieuwe apparaten ontwikkelen

Onlangs, Alshareef en zijn groep ontwikkelden op MXene gebaseerde zachte, super-rekbare polymeren die hydrogels worden genoemd. "We noemen het MXene smart skin, " Zegt Alshareef. "Het is rekbaar met 3, 400 procent, zelfgenezend, zacht en kan zo ongeveer alles voelen - aanraakkracht, richting, snelheid, stem, druk, temperatuur, vochtigheid." Het team toonde aan dat een klein stukje slimme huid op het voorhoofd meerdere gezichtsuitdrukkingen kon onderscheiden, terwijl een stuk dat op de huid boven de stembox werd geplaatst, elke letter van het alfabet kon onderscheiden door alleen de beweging van de voicebox te meten.

Sensor apparaten, die kan profiteren van het grote oppervlak en de buitengewone geleidbaarheid van MXenes, zijn een andere veelbelovende onderzoeksrichting. Meest recent, het team creëerde een op MXene gebaseerde draagbare zweetsensor om belangrijke biomarkers in transpiratie te controleren. De rekbare sensor kan tegelijkertijd meerdere parameters meten, inclusief lactaat, glucose, pH en zink. "Het meet en verzendt rechtstreeks naar je telefoon - en het werkt, " zegt Alshareef. "Ons prototype draagbare zweetsensor functioneert goed, en onze toekomstige inspanningen zullen gericht zijn op miniaturisatie."

De samenwerkingen van Alshareef op de KAUST-campus demonstreren het brede potentieel van MXenes. Hij heeft met Omar Mohammed samengewerkt om hun fundamentele opto-elektronische eigenschappen te begrijpen en om op MXene gebaseerde fotonische en plasmonische apparaten te fabriceren; Peng Wang, van het Centrum voor Waterontzilting en Hergebruik, osmotische stroomgeneratoren ontwikkelen; en Xixiang Zhang om de tweedimensionale aard van MXenes te onderzoeken om tweedimensionaal ferro-elektrisch te laten groeien, elektro-optische en piëzo-elektrische kristallen die de eigenschappen van MXenes erven.