Te midden van een golf van onderzoek in de afgelopen twee decennia, gericht op de speciale eigenschappen van structuren die slechts een atoom of twee dik zijn, zogenaamde "tweedimensionale" materialen, onderzoekers van Drexel University hebben gestaag de uitzonderlijke eigenschappen van een familie van deze materialen blootgelegd, genaamd MXenes. De onderzoekers weten nu dat MXenen zeer geleidend en extreem duurzaam zijn, ze kunnen elektromagnetische interferentie blokkeren, chemicaliën in de lucht voelen, zout uit water verwijderen, en waterstof opvangen. Ze hebben zich sterk gemaakt om betrokken te zijn bij de toekomst van energieopslag, draadloze communicatie en draagbare technologie. Maar voordat dat kan gebeuren, moeten onderzoekers begrijpen waarom MXenes kunnen doen wat ze doen - en hoe ze kunnen worden ontworpen om het beter te doen.

Als tweedimensionale materialen, MXenen worden grotendeels bepaald door hun oppervlakken, toch bevinden onderzoekers zich in de vroege stadia van het rechtstreeks meten van hoe de oppervlaktechemie van MXenes hun prestaties beïnvloedt. Onderzoekers in de Dynamic Characterization Group in Drexel's College of Engineering hebben deze vraag onlangs in het tijdschrift behandeld Natuurcommunicatie . Hun studie suggereert dat het construeren van de atomen die zijn gebonden aan de oppervlakken van MXenes en de moleculen tussen hun lagen, verschillende eigenschappen van de materialen dramatisch zou kunnen verbeteren.

Bij hun onderzoek van MXene-oppervlaktechemie, de onderzoeken waren gebaseerd op een nieuwe elektronenmicroscopietechniek - ontwikkeld bij Drexel in 2016 - die ongekende meting van de eigenschapbepalende oppervlaktechemie in realtime mogelijk maakt.

"Hoewel het idee om de eigenschappen van MXene te beheersen door hun oppervlakteafsluiting en intercalatie te veranderen, altijd een belangrijk doel is geweest bij het verbeteren van deze materialen, we zijn de eersten die dit doel direct bereiken en de basis leggen voor het engineeren van deze materialen om de geleidbaarheid te verbeteren en de mogelijkheid te onderzoeken om halfgeleiders te ontwikkelen, magnetische en topologisch isolerende MXenes, " zei Mitra Taheri, doctoraat, Hoeganaes hoogleraar en hoofd van de Dynamic Characterization Group, de hoofdauteur van de studie. "De heilige graal is om controle te hebben over wat er tussen de lakens gebeurt, ' bij wijze van spreken. We demonstreren een belangrijke stap in de richting van terminatie-engineering door het gebruik van nieuwe in-situ TEM-technieken en onze directe detectie-spectroscopietechnologie."

MXenen, die voor het eerst werden ontdekt bij Drexel in 2011, worden gemaakt door het chemisch etsen van een gelaagd keramisch materiaal dat een MAX-fase wordt genoemd, om een ​​reeks chemisch gerelateerde lagen te verwijderen, een stapel tweedimensionale vlokken achterlatend. Op basis van het exacte gebruikte chemische etsmiddel, de atomaire soorten die aan de vlokken blijven gebonden - de terminatiesoorten - en de moleculen die tussen de vlokken vast komen te zitten - de intercalanten - zullen variëren. Onderzoekers hebben gespeculeerd dat het samenspel tussen de MXene, terminatie soorten, en intercalatiesoorten hebben iets te maken met de geleidbaarheid van MXenes.

Nu hebben ze het bevestigd.

Bij Drexel zijn zo'n 30 verschillende soorten MXenen geproduceerd, en deze studie keek naar het gedrag van drie die vaak worden onderzocht voor toepassingen. Het doel van de onderzoekers was om de geleidbaarheid van deze materialen te meten voordat ze werden getest, en vervolgens om het te controleren als intercalanten werden verwijderd en de oppervlaktechemie van de vlokken werd gewijzigd.

Om dit te doen, het team verwarmde de materialen stapsgewijs in een vacuüm tot temperaturen tot 775 graden Celsius. Tijdens het verwarmingsproces, het team bewaakte zowel de elektronische weerstand van het materiaal - een manier om de geleidbaarheid ervan te bepalen - als de chemische dissipatie te observeren, of de-intercalatie, van de intercalant in realtime. Om deze metingen te doen, de onderzoekers gebruikten een techniek die ze eerder hadden ontwikkeld - directe detectie-elektronenenergieverliesspectroscopie genaamd, wat ideaal is voor het bewaken van chemische veranderingen in 2D-materialen.

Hetzelfde proces was in staat om de afgifte van de terminatieatomen van het oppervlak van de MXene-vlokken te volgen en te bestuderen. In beide gevallen, metingen van de elektrische weerstand van het materiaal, onthulde dat ze meer geleidend werden naarmate intercalanten en terminatiesoorten werden geëlimineerd.

"In onze studie we begonnen met MXenen die een mix van zuurstof hadden, hydroxide, en fluorterminatiesoorten, en we hebben laten zien dat als je deze oppervlaktebeëindigingsgroepen gedeeltelijk verwijdert, de geleidbaarheid neemt aanzienlijk toe. Dit geldt ook omdat water en organische moleculen gedeïntercaleerd zijn, " zei Jamie Hart, een doctoraal onderzoeker bij de afdeling Materials Science and Engineering en een auteur van het onderzoek. "Belangrijk, door deze materialen te testen in de elektronenmicroscoop en ze te meten met elektronenenergieverliesspectroscopie, we waren in staat om een ​​causaal verband vast te stellen tussen intercalatie en beëindigingsverlies en verbeterde geleidbaarheid."

Hoewel dit een theorie bevestigt waar al geruime tijd over wordt gespeculeerd, Hart merkt op dat het bijna onmogelijk is geweest om nauwkeurig te induceren, volgen en meten van de effecten van deze chemische veranderingen tot nu toe. Deze ontdekking is dus niet alleen belangrijk omdat het de bron van het gedrag van MXenes laat zien, maar ook hoe het gedrag veranderd kan worden.

"De meeste experimentele onderzoeken naar MXenes zijn gericht op een specifieke toepassing, bijvoorbeeld MXene gebruiken om een ​​batterij te maken en de fabricage en het ontwerp optimaliseren om de batterijprestaties te maximaliseren, Hart zei. "Onze studie stelt fundamentele vragen over de eigenschappen van MXenes en onze bevindingen bieden duidelijke richtlijnen voor het verbeteren van de geleidbaarheid in MXenes, wat zich direct zou moeten vertalen in verbeterde prestaties voor toepassingen zoals antennes en afscherming van elektromagnetische interferentie."

De bevindingen zijn een belangrijke stap in de richting van het optimaliseren van MXenes voor verschillende toepassingen:draagbare elektronica, energieopslag en afscherming tegen elektromagnetische interferentie, behoren tot degenen aan de horizon - en begrijpen ook hoe ze voor langere tijd stabiel kunnen worden gehouden in atmosferische omstandigheden. Ze wijzen ook de weg naar het maken van magnetische MXenen die kunnen worden gebruikt voor gegevensopslagapparaten.

"Dit soort onderzoek is fundamenteel voor de ontwikkeling van MXenes en hun uiteindelijke integratie in de apparaten die ons dagelijks leven verbeteren, " zei Kanit Hantanasirisakul, een promovendus in Drexel's College of Engineering, en co-auteur van de studie. "Het zal spannend zijn om de voortgang van MXenes te volgen nu we een beter begrip hebben van hoe we hun eigenschappen kunnen controleren."