De forskare vars uppgift är att testa gränserna för vad naturen - särskilt kemi - kommer att tillåta att existera, bara starta butik på några nya fastigheter i det periodiska systemet. Med hjälp av en metod som de uppfann för att sammanfoga olika elementära lager till ett stabilt material med uniform, förutsägbara egenskaper, Forskare vid Drexel University testar en rad nya kombinationer som kan utvidga de tillgängliga alternativen för att skapa snabbare, mindre, effektivare energilagring, avancerad elektronik och slitstarka material.

Leds av postdoktor Babak Anasori, Doktorsexamen, ett team från Drexels institution för materialvetenskap och teknik skapade metoden för materialframställning, som kan smörja 2-D-ark med element som annars inte kunde kombineras på ett stabilt sätt. Och de bevisade sin effektivitet genom att skapa två helt nya, skiktade tvådimensionella material med molybden, titan och kol.

"Genom att" smörja "ett eller två atomskikt av en övergångsmetall som titan, mellan monoatomiska lager av en annan metall, såsom molybden, med kolatomer som håller ihop dem, vi upptäckte att ett stabilt material kan produceras, "Anasori sa." Det var omöjligt att producera ett 2-D-material med bara tre eller fyra molybdenlager i sådana strukturer, men eftersom vi lade till det extra lagret av titan som en kontakt, vi kunde syntetisera dem. "

Upptäckten, som nyligen publicerades i tidningen ACS Nano , är viktigt eftersom det representerar ett nytt sätt att kombinera elementära material för att bilda byggstenarna för energilagringsteknik - till exempel batterier, kondensatorer och superkondensatorer, såväl som superstarka kompositer - som de som används i telefonväskor och pansar. Varje ny kombination av atomtjocka lager presenterar nya egenskaper och forskare misstänker att en, eller mer, av dessa nya material kommer att uppvisa energilagring och hållbarhetsegenskaper så oproportionerligt i förhållande till dess storlek att det kan revolutionera teknologin i framtiden.

"Även om det är svårt att säga, vid denna tidpunkt, exakt vad som kommer att bli av dessa nya familjer av 2-D-material som vi har upptäckt, det är säkert att säga att denna upptäckt gör det möjligt för materialvetenskap och nanoteknik att flytta in i ett okänt territorium, "Sa Anasori.

Behärska material

Att kombinera tvådimensionella elementark på ett organiserat sätt för att producera nya material har varit målet för Drexels nanomaterialforskare i mer än ett decennium. Att införa denna typ av organisation på atomnivå är ingen lätt uppgift.

"På grund av deras struktur och elektriska laddning, vissa element gillar inte att kombineras, "Anasori sa." Det är som att försöka stapla magneter med stolparna i samma riktning - du kommer inte att bli särskilt framgångsrik och du kommer att plocka upp många flygande magneter. "

Men Drexel -forskare kom på ett smart sätt att kringgå denna kemiutmaning. Det börjar med ett material som kallas en MAX -fas, som upptäcktes av framstående professor Michel W. Barsoum, Doktorsexamen, chef för forskargruppen MAX/MXene, för mer än två decennier sedan. En MAX -fas är som den primära osen som genererade de första organismerna - alla element i den färdiga produkten är i MAX -fasen, väntar på att forskarna ska införa en ordning.

Denna order förelågs av Michel W. Barsoum, PhD och Yury Gogotsi, Doktorsexamen, Framstående professor vid universitet och förvaltare vid tekniska högskolan och chef för Drexel Nanomaterials Group, när de först skapade ett stall, tvådimensionell, skiktmaterial som heter MXene 2011.

För att skapa MXenes, forskarna extraherar selektivt lager av aluminiumatomer från ett block av MAX -fas genom att etsa ut dem med en syra.

"Tänk på MXen -syntes som att separera trälager genom att dunka en plywoodskiva till en kemikalie som löser upp limmet, "Anasori sa." Genom att sätta en MAX -fas i syra, vi har kunnat selektivt etsa bort vissa lager och förvandla MAX-fasen till många tunna 2-D-ark, som vi kallar MXenes. "

När det gäller energilagringsmaterial, MXenes var en uppenbarelse. Innan de upptäckte, grafen, som är ett enda ark kolatomer, var det första tvådimensionella materialet som utsågs för sina potentiella energilagringsmöjligheter. Men, eftersom den bara bestod av ett element, kol, grafen var svår att modifiera i form och hade därför begränsade energilagringsmöjligheter. De nya MXenerna har ytor som kan lagra mer energi.

En elementär dödläge

Fyra år senare, forskarna har arbetat sig igenom avsnittet i det periodiska systemet med element som kallas "övergångsmetaller, "producerar MAX -faser och etsar dem i MXenes i olika kompositioner samtidigt som de testar deras energilagringsegenskaper.

Anasoris upptäckt kommer vid en tidpunkt då gruppen har stött på ett hinder för dess framsteg genom elementtabellen.

"Vi hade nått lite av en återvändsgränd, när man försöker producera ett molybden som innehåller MXener, "Anasori sa." Genom att tillsätta titan till blandningen lyckades vi göra en beställd molybden MAX -fas, där titanatomerna är i centrum och molybden på utsidan.

Nästa gräns

Nu, med hjälp av teoretiska beräkningar gjorda av forskare vid FIRST Energy Frontier Research Center vid Oak Ridge National Laboratory, Drexels team vet det, i princip, den kan använda denna metod för att göra så många som 25 nya material med kombinationer av övergångsmetaller, såsom molybden och titan, som tidigare inte skulle ha försökts.

"Att ha möjlighet att lagra olika element i den tunnaste formen av material som är känt för det vetenskapliga samfundet leder till spännande nya strukturer och tillåter oöverträffad kontroll över materialegenskaper, "Barsoum sa." Denna nya skiktningsmetod ger forskare ett otänkbart antal möjligheter för att justera materialets egenskaper för en mängd olika högteknologiska applikationer. "

Anasori planerar att göra fler material genom att ersätta titan med andra metaller, såsom vanadin, niob, och tantal, som kan avslöja en ven av nya fysiska egenskaper som stöder energilagring och andra applikationer.

"Denna nivå av strukturell komplexitet, eller skiktning, i 2-D-material har potential att leda till många nya strukturer med unik kontroll över deras egenskaper, "Gogotsi sa." Vi ser möjliga tillämpningar inom termoelektrisk, batterier, katalys, solceller, elektroniska enheter, strukturella kompositer och många andra områden, möjliggör en ny teknik på atomskala. "