De wetenschappers wiens taak het is om de grenzen te testen van wat de natuur - met name de chemie - laat bestaan, net een winkel opgezet op wat nieuw onroerend goed op het periodiek systeem. Met behulp van een methode die ze hebben uitgevonden om ongelijksoortige elementaire lagen samen te voegen tot een stabiel materiaal met uniforme, voorspelbare eigenschappen, Onderzoekers van de Drexel University testen een reeks nieuwe combinaties die de beschikbare opties voor het maken van snellere, kleiner, efficiëntere energieopslag, geavanceerde elektronica en slijtvaste materialen.

Onder leiding van postdoctoraal onderzoeker Babak Anasori, doctoraat, een team van Drexel's Department of Materials Science and Engineering creëerde de methode voor het maken van materialen, die 2D-platen met elementen kan sandwichen die anders niet op een stabiele manier zouden kunnen worden gecombineerd. En ze bewezen hun doeltreffendheid door twee geheel nieuwe, gelaagde tweedimensionale materialen met molybdeen, titaan en koolstof.

"Door een of twee atomaire lagen van een overgangsmetaal zoals titanium te 'sandwichen', tussen monoatomaire lagen van een ander metaal, zoals molybdeen, met koolstofatomen die ze bij elkaar houden, we ontdekten dat er een stabiel materiaal kan worden geproduceerd, "Zei Anasori. "Het was onmogelijk om een ​​2-D materiaal te produceren met slechts drie of vier molybdeenlagen in dergelijke structuren, maar omdat we de extra laag titanium als connector hebben toegevoegd, we waren in staat om ze te synthetiseren."

De vondst, die onlangs in het tijdschrift werd gepubliceerd ACS Nano , is belangrijk omdat het een nieuwe manier vertegenwoordigt om elementaire materialen te combineren om de bouwstenen van energieopslagtechnologie te vormen, zoals batterijen, condensatoren en supercondensatoren, evenals supersterke composieten, zoals die worden gebruikt in telefoonhoesjes en kogelvrije vesten. Elke nieuwe combinatie van atoomdikke lagen biedt nieuwe eigenschappen en onderzoekers vermoeden dat één, of meer, van deze nieuwe materialen zullen energieopslag- en duurzaamheidseigenschappen vertonen die zo onevenredig zijn aan de grootte dat ze in de toekomst een revolutie teweeg kunnen brengen in de technologie.

"Hoewel het moeilijk te zeggen is, op dit punt, precies wat er zal worden van deze nieuwe families van 2D-materialen die we hebben ontdekt, het is veilig om te zeggen dat deze ontdekking het gebied van materiaalwetenschap en nanotechnologie in staat stelt om een ​​onbekend terrein te betreden, ' zei Anasori.

Materialen beheersen

Het op een georganiseerde manier combineren van tweedimensionale platen van elementen om nieuwe materialen te produceren, is al meer dan een decennium het doel van de onderzoekers van Drexel nanomaterialen. Het opleggen van dit soort organisatie op atomair niveau is geen gemakkelijke taak.

"Vanwege hun structuur en elektrische lading, bepaalde elementen houden er gewoon niet van om gecombineerd te worden, "Zei Anasori. "Het is alsof je magneten probeert te stapelen met de polen in dezelfde richting - je zult niet erg succesvol zijn en je zult veel vliegende magneten oppikken."

Maar onderzoekers van Drexel bedachten een slimme manier om deze scheikundige uitdaging te omzeilen. Het begint met een materiaal dat een MAX-fase wordt genoemd, die werd ontdekt door Distinguished Professor Michel W. Barsoum, doctoraat, hoofd van de MAX/MXene-onderzoeksgroep, meer dan twee decennia geleden. Een MAX-fase is als het oorspronkelijke slijk dat de eerste organismen voortbracht - alle elementen van het eindproduct bevinden zich in de MAX-fase, wachtend op de onderzoekers om enige orde op te leggen.

Dat bevel werd opgelegd door Michel W. Barsoum, PhD en Yury Gogotsi, doctoraat, Distinguished University en Trustee Chair professor in het College of Engineering en hoofd van de Drexel Nanomaterials Group, toen ze voor het eerst een stal creëerden, tweedimensionaal, gelaagd materiaal genaamd MXene in 2011.

Om MXenen te maken, de onderzoekers extraheren selectief lagen aluminiumatomen uit een blok MAX-fase door ze uit te etsen met een zuur.

"Denk aan MXene-synthese als het scheiden van lagen hout door een triplexplaat te dompelen in een chemische stof die de lijm oplost, "Zei Anasori. "Door een MAX-fase in zuur te plaatsen, we zijn erin geslaagd bepaalde lagen selectief weg te etsen en de MAX-fase in veel dunne 2D-platen te veranderen, die we MXenes noemen."

Wat materialen voor energieopslag betreft, MXenes waren een openbaring. Voorafgaand aan hun ontdekking, grafeen, wat een enkele laag koolstofatomen is, was het eerste tweedimensionale materiaal dat werd aangeprezen vanwege zijn potentiële energieopslagmogelijkheden. Maar, omdat het uit slechts één element bestond, koolstof, grafeen was moeilijk in vorm te wijzigen en had daarom beperkte energieopslagmogelijkheden. De nieuwe MXenes hebben oppervlakken die meer energie kunnen opslaan.

Een elementaire impasse

Vier jaar later, hebben de onderzoekers zich een weg gebaand door het gedeelte van het periodiek systeem met elementen die "overgangsmetalen, " MAX-fasen produceren en ze etsen in MXenen van verschillende samenstellingen, terwijl ze tegelijkertijd hun energieopslageigenschappen testen.

Anasori's ontdekking komt op een moment dat de groep een obstakel is tegengekomen bij zijn voortgang door de tabel met elementen.

"We waren een beetje in een impasse geraakt, wanneer u probeert een molybdeen te produceren dat MXenen bevat, "Zei Anasori. "Door titanium aan de mix toe te voegen, zijn we erin geslaagd om een ​​geordende molybdeen MAX-fase te maken, waar de titaniumatomen zich in het midden bevinden en het molybdeen aan de buitenkant.

De volgende grens

Nutsvoorzieningen, met behulp van theoretische berekeningen gedaan door onderzoekers van het FIRST Energy Frontier Research Center in het Oak Ridge National Laboratory, Het team van Drexel weet dat, in principe, het kan deze methode gebruiken om maar liefst 25 nieuwe materialen te maken met combinaties van overgangsmetalen, zoals molybdeen en titanium, dat voorheen niet zou zijn geprobeerd.

"De mogelijkheid hebben om verschillende elementen in de dunste vorm van materiaal te plaatsen die de wetenschappelijke gemeenschap kent, leidt tot opwindende nieuwe structuren en biedt ongekende controle over materiaaleigenschappen, Barsoum zei. "Deze nieuwe gelaagdheidsmethode geeft onderzoekers een onvoorstelbaar aantal mogelijkheden voor het afstemmen van de eigenschappen van materialen voor een verscheidenheid aan hightech-toepassingen."

Anasori is van plan meer materialen te maken door titanium te vervangen door andere metalen. zoals vanadium, niobium, en tantaal, die een ader van nieuwe fysieke eigenschappen zou kunnen blootleggen die energieopslag en andere toepassingen ondersteunen.

"Dit niveau van structurele complexiteit, of gelaagdheid, in 2D-materialen heeft het potentieel om te leiden tot veel nieuwe structuren met unieke controle over hun eigenschappen, " zei Gogotsi. "We zien mogelijke toepassingen in thermo-elektriciteit, batterijen, katalyse, zonnepanelen, elektronische apparaten, structurele composieten en vele andere gebieden, waardoor een nieuw niveau van engineering op atomaire schaal mogelijk is."