Is er iets dat MXene-materialen niet kunnen?

Sinds de ontdekking van een grote nieuwe familie van tweedimensionale materialen door onderzoekers van de Drexel University in 2011, voortdurende verkenning heeft hun uitzonderlijke vermogen om energie op te slaan aan het licht gebracht, elektromagnetische interferentie blokkeren, water zuiveren en zelfs bacteriën afweren. En, zoals recent onderzoek nu suggereert, MXenes zijn ook zeer duurzaam - het sterkste materiaal in zijn soort, volgens een nieuwe studie in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

de bevinding, gepresenteerd door onderzoekers van Drexel en de Universiteit van Nebraska-Lincoln, laat zien dat MXenen het hoogst scoren van tweedimensionale materialen die worden geproduceerd door oplossingsverwerking - de standaardmethode voor het schaalbaar maken, praktisch bruikbare materialen in het laboratorium - in een maat die 'elastische modulus' wordt genoemd.

In een zij-aan-zij vergelijking met grafeenoxide of gereduceerd grafeenoxide, veelbelovende nieuwe materialen die al worden gebruikt om rubber en polymeren sterker te maken, een vlok van het MXene-titaancarbide bleek ongeveer 50 procent stijver te zijn.

Deze sterktetest wordt uitgevoerd door een enkel vel van een materiaal over een siliciumwafeltestoppervlak met gaten te plaatsen. Dan prikt een scherpe punt van een atoomkrachtmicroscoop in het materiaal, een inkeping maken. Terwijl dit gebeurt, de sonde meet ook de kracht die nodig is om de inkeping te maken - en bepaalt zo de sterkte en elasticiteitsmodulus van het materiaal. Het team herhaalde de test 36 keer en ontdekte dat de modulus van het materiaal de hoogste is die is geregistreerd voor een in oplossing verwerkt materiaal en zelfs vergelijkbaar is met de sterkste materiaalmembranen die momenteel bij onderzoekers bekend zijn:puur grafeen en molybdeendisulfide.

"Dit werk opent de weg om de mechanische eigenschappen van monolagen van andere MXenes te bestuderen en breidt het toch al brede scala aan MXenes-toepassingen uit, " zei Joeri Gogotsi, doctoraat, Distinguished University en Bach Professor in het College of Engineering, wie de hoofdauteur van het onderzoek was.

Hoewel de resultaten niet bepaald onverwacht waren - onderzoekers hebben in de loop der jaren anekdotisch de kracht van MXene in het laboratorium opgemerkt - heeft het enige tijd geduurd om deze gegevens formeel te verzamelen vanwege de uitdagingen van het maken van voldoende grote enkellaagse monsters van het materiaal en mechanisch testen van de platen die slechts enkele atomen dik zijn.

Maar Drexel-onderzoekers hebben nu hun vermogen verbeterd om grotere vlokken titaniumcarbide MXene te produceren. En door samenwerking met het team uit Nebraska, waren in staat om de testen uit te voeren met een atoomkrachtmicroscoop om hun sterkte te bepalen.

Het laatste onderzoek wees naar grafeen als het sterkste tweedimensionale materiaal, in termen van modulus, dus het was relevant voor het team om een ​​MXeen te meten tegen de verwerkte versie van grafeen-grafeenoxide. Ze melden niet alleen dat MXene sterker is, de onderzoekers toonden ook aan dat terwijl een grafeenfilm catastrofaal breekt wanneer de indenter een gat in de film prikt, MXene niet.

De ontdekking van de superieure mechanische eigenschappen van MXene suggereert dat het een nuttige toevoeging kan zijn aan structurele composieten, zoals glasvezel. Het kan ook worden gebruikt in beschermende coatings en membranen, als een manier om hun duurzaamheid te vergroten. En met ongeveer 30 geproduceerde MXenen, er is een goede kans om nog sterkere variëteiten te vinden dan het in dit onderzoek geteste titaniumcarbide.

"Het kennen van de mechanische eigenschappen van single-sheet MXene is absoluut cruciaal voor het ontwikkelen van supersterke, taaie en harde composietmaterialen, "Zei Gogotsi. "De volgende stap voor MXenes zal zijn om ze toe te voegen aan polymeren, metalen en keramiek om te zien hoe hun eigenschappen verbeterd kunnen worden. Bijvoorbeeld, het toevoegen van titaniumcarbide aan keramiek en polymeren kan tegelijkertijd hun mechanische sterkte en geleidbaarheid vergroten - deze composieten kunnen worden gebruikt voor structurele toepassingen, elektromagnetische afscherming en vele andere doeleinden."