Upptäckt av forskare vid Drexel University som elektroder för energitillämpningar, MXenes har blivit ett forskningsfokus för KAUST. Husam Alshareef och hans team är specialiserade på att skapa nanomaterial för elektroniska och energitillämpningar. De förvandlar dem till enheter, som superkondensatorer, batterier och sensorer. Den kemiskt aktiva ytan och högledande kärnan hos MXenes gör dem till ett idealiskt kandidatmaterial för gruppens banbrytande materialforskning.

MXener består vanligtvis av en kärna av titan och kolatomer, bara några få atomer tjocka. Detta metalliska material (en karbid eller nitrid) har elektrisk ledningsförmåga jämförbar med en koppartråd. Den övre och nedre ytan av MXene är täckt med metall-syre (t.ex. Ti-O) och metall-hydroxyl (t.ex. Ti-OH) bindningar, som är kemiskt och elektrokemiskt aktiva. "Denna kombination av egenskaper gör MXenes unik, " förklarar Alshareef.

"Forskare vid KAUST har gjort banbrytande bidrag till tillämpningar av MXenes i elektroniska enheter och sensorer, säger Yury Gogotsi, en professor från Drexel University i USA, en av upptäckarna av MXenes. "De har flyttat dem från materialstadiet till enhetsstadiet tack vare deras erfarenhet av elektronik. Detta är mycket viktigt och kan vara ett avgörande ögonblick i den praktiska implementeringen av MXenes i industrin."

Börjar från början

"Att ha kunskapen att förbereda MXenes av god kvalitet är nyckeln till att uppnå utmärkt prestanda, " säger Alshareef. För att göra 2D MXene-atomkristallerna, föräldramaterialet, känd som MAX-fas, är först framställd med hjälp av konventionell keramisk bearbetningsteknik. M i MAX representerar en övergångsmetall, såsom titan; A är typiskt aluminium; och X är kol eller kväve. Lösningsbearbetningsmetoder används för att selektivt ta bort aluminium för att skapa tvådimensionella kristaller. Dessa kristaller placeras i suspensioner som sedan används för att göra filmer, geler, ark och kvantprickar av MXene.

Utmaningarna med att göra MXenes är att temperaturer så höga som 1700 grader Celsius behövs för att göra den överordnade MAX-fasen, och HF behövs för att etsa ut aluminiumet. "Vi utvecklar processer för att förenkla syntesprotokollen och för att göra dem mer miljövänliga och energieffektiva att förbereda, " säger Alshareef.

Utveckling av nya enheter

Nyligen, Alshareef och hans grupp utvecklade MXene-baserad mjuk, supertöjbara polymerer som kallas hydrogeler. "Vi kallar det MXene smart skin, " Alshareef säger. "Den är töjbar med 3, 400 procent, självläkande, mjuk och kan känna av nästan vad som helst – beröringskraft, riktning, fart, röst, tryck, temperatur, luftfuktighet." Teamet visade att en liten bit smart hud placerad på pannan kunde skilja flera ansiktsuttryck, medan en bit placerad på huden över röstlådan kunde särskilja varje bokstav i alfabetet bara genom att mäta röstlådans rörelse.

Sensorenheter, som kan dra nytta av den stora ytan och den extraordinära ledningsförmågan hos MXener, är en annan lovande forskningsväg. Senast, teamet skapade en MXene-baserad bärbar svettsensor för att övervaka viktiga biomarkörer i svett. Den töjbara sensorn kan samtidigt mäta flera parametrar, inklusive laktat, glukos, pH och zink. "Den mäter och sänder direkt till din telefon - och den fungerar, " Alshareef säger. "Vår prototyp av bärbara svettsensor fungerar bra, och våra framtida ansträngningar kommer att fokusera på miniatyrisering."

Alshareefs samarbeten över hela KAUST-campuset visar den breda potentialen hos MXenes. Han har arbetat med Omar Mohammed för att förstå deras grundläggande optoelektroniska egenskaper och för att tillverka MXene-baserade fotoniska och plasmoniska enheter; Peng Wang, från centrum för vattenavsaltning och återanvändning, att utveckla osmotiska kraftgeneratorer; och Xixiang Zhang för att utforska den tvådimensionella naturen hos MXener för att växa tvådimensionell ferroelektrisk, elektrooptiska och piezoelektriska kristaller som ärver egenskaperna hos MXenes.