Een gelaagd materiaal ontwikkeld door KAUST-onderzoekers kan fungeren als een nauwkeurige temperatuursensor door gebruik te maken van hetzelfde principe dat wordt gebruikt in biologische ionkanalen.

Menselijke cellen bezitten verschillende eiwitten die fungeren als kanalen voor geladen ionen. In de huid, bepaalde ionenkanalen zijn afhankelijk van warmte om een ​​ionenstroom aan te drijven die elektrische signalen genereert, die we gebruiken om de temperatuur van onze omgeving te voelen.

Geïnspireerd door deze biologische sensoren, KAUST-onderzoekers maakten een titaniumcarbideverbinding (Ti ₃ C ₂ t _x ) bekend als een MXene, die meerdere lagen bevat van slechts enkele atomen dik. Elke laag is bedekt met negatief geladen atomen, zoals zuurstof of fluor. "Deze groepen fungeren als afstandhouders om aangrenzende nanosheets uit elkaar te houden, waardoor watermoleculen de interplanaire kanalen kunnen binnendringen, " zegt KAUST-postdoc Seunghyun Hong, onderdeel van het team achter de nieuwe temperatuursensor. De kanalen tussen de MXene-lagen zijn smaller dan een enkele nanometer.

De onderzoekers gebruikten technieken, zoals röntgendiffractie en scanning elektronenmicroscopie, om hun MXene te onderzoeken, en ze ontdekten dat het toevoegen van water aan het materiaal de kanalen tussen de lagen enigszins verbreedde. Toen het materiaal een oplossing van kaliumchloride raakte, deze kanalen waren groot genoeg om positieve kaliumionen door de MXene te laten bewegen, maar blokkeerde de doorgang van negatieve chloride-ionen.

Het team creëerde een klein apparaat met de MXene en stelde het ene uiteinde ervan bloot aan zonlicht. MXenen zijn bijzonder efficiënt in het absorberen van zonlicht en het omzetten van die energie in warmte. De resulterende temperatuurstijging zorgde ervoor dat watermoleculen en kaliumionen door de nanokanalen van het koelere uiteinde naar het warmere deel vloeiden, een effect dat bekend staat als thermo-osmotische stroming. Dit veroorzaakte een spanningsverandering die vergelijkbaar is met die in biologische temperatuurgevoelige ionenkanalen. Als resultaat, het apparaat kon op betrouwbare wijze temperatuurveranderingen van minder dan één graad Celsius detecteren.

Het verlagen van het zoutgehalte van de kaliumchloride-oplossing verbeterde de prestaties van het apparaat, gedeeltelijk door de selectiviteit van het kanaal voor kaliumionen verder te verbeteren.

Toen de onderzoekers de intensiteit van het licht dat op het materiaal scheen verhoogden, de temperatuur steeg in hetzelfde tempo, net als de ionentransporterende respons. Dit suggereert dat het materiaal niet alleen als temperatuursensor kan worden gebruikt, maar ook kan worden gebruikt om de lichtintensiteit te meten.

Het werk was het resultaat van een samenwerking tussen de groepen KAUST-professoren Husam Alshareef en Peng Wang. "We stellen ons voor dat de MXene-kationkanalen veelbelovend zijn voor veel potentiële toepassingen, inclusief temperatuurmeting, fotodetectie of fotothermo-elektrische energie oogsten, " zegt Alshareef, die het team leidde.