Mitt i en kraftig forskning under de senaste två decennierna med fokus på de speciella egenskaperna hos strukturer som bara är en atom eller två tjocka, kallas "tvådimensionella" material, forskare vid Drexel University har stadigt upptäckt de exceptionella egenskaperna hos en familj av dessa material, kallas MXenes. Forskarna vet nu att MXenes är mycket ledande och extremt hållbara, de kan blockera elektromagnetisk störning, känner av kemikalier i luften, ta bort salt från vatten, och fånga väte. De har gjort ett starkt argument för att vara involverade i framtiden för energilagring, trådlös kommunikation och bärbar teknik. Men innan det kan hända måste forskare förstå varför MXenes kan göra vad de gör - och hur de kan utformas för att göra det bättre.
Som tvådimensionella material, MXener definieras till stor del av deras ytor, ändå är forskare i ett tidigt skede av att direkt mäta hur ytkemin hos MXenes påverkar deras prestanda. Forskare i gruppen för dynamisk karaktärisering i Drexels tekniska högskola behandlade nyligen denna fråga i tidskriften Naturkommunikation . Deras studie tyder på att konstruktion av atomerna som är bundna till ytorna på MXenes och molekylerna mellan deras lager dramatiskt kan förbättra olika egenskaper hos materialen.
I sin undersökning av MXene ytkemi, forskningen förlitade sig på en ny elektronmikroskopiteknik - utvecklad på Drexel 2016 - som tillåter oöverträffad mätning av den fastighetsdefinierande ytkemin i realtid.
"Även om tanken på att styra MXene -egenskaper genom att ändra deras ytavslutning och interkalering alltid har varit ett viktigt mål för att utveckla dessa material, vi är de första som direkt uppnår detta mål och lägger grunden för att konstruera dessa material för att förbättra konduktiviteten och utforska möjligheten att utveckla halvledande, magnetiska och topologiskt isolerande MXener, "sa Mitra Taheri, Ph.D., Hoeganaes professor och chef för gruppen för dynamisk karaktärisering, huvudförfattaren till studien. "Den heliga gralen är att ha kontroll över vad som händer mellan bladen, ' så att säga. Vi visar ett stort steg mot avslutningsteknik genom användning av nya TEM-tekniker på plats och vår direktdetekteringsspektroskopiteknik. "
MXenes, som först upptäcktes vid Drexel 2011, tillverkas genom kemisk etsning av ett skiktat keramiskt material som kallas en MAX -fas, för att ta bort en uppsättning kemiskt relaterade lager, lämnar en bunt tvådimensionella flingor. Baserat på den exakta kemiska etsningsmedel som används, den atomart som är kvar bunden med flingytorna - termineringsarten - och molekylerna som fastnar mellan flingorna - interkalanterna - kommer att variera. Forskare har spekulerat i att samspelet mellan MXene, uppsägningsarter, och interkaleringsarter har något att göra med MXenes konduktivitet.
Nu har de bekräftat det.
Ungefär 30 olika typer av MXener har producerats på Drexel, och denna studie tittade på beteendet hos tre som ofta utforskas för applikationer. Forskarnas mål var att mäta konduktiviteten hos dessa material innan de testas, och sedan för att övervaka det när intercalants avlägsnades och ytkemin hos flingorna ändrades.
Att göra detta, laget uppvärmde materialen gradvis i vakuum till temperaturer så höga som 775 grader Celsius. Under uppvärmningsprocessen, teamet övervakade både materialets elektroniska motstånd - ett sätt att bestämma dess konduktivitet - såväl som att observera den kemiska spridningen, eller av-interkalering, av intercalanten i realtid. För att göra dessa mätningar, forskarna använde en teknik som de tidigare utvecklat - kallad direktdetektionselektronenergiförlustspektroskopi, vilket är idealiskt för övervakning av kemiska förändringar i 2-D-material.
Samma process kunde övervaka och studera frisättningen av termineringsatomerna från ytan av MXene -flingorna. I båda fallen, mått på materialets elektriska motstånd, avslöjade att de blev mer ledande när intercalants och termineringsarter eliminerades.
"I vår studie, vi började med MXenes som hade en blandning av syre, hydroxid, och fluortermineringsarter, och vi visade att när du delvis tar bort dessa ytavslutningsgrupper, konduktiviteten ökar avsevärt. Detta är också sant eftersom vatten och organiska molekyler avkalkas, "sa Jamie Hart, doktorand vid Institutionen för materialvetenskap och teknik och författare till forskningen. "Viktigt, genom att testa dessa material i elektronmikroskopet och mäta dem med elektronenergiförlustspektroskopi, vi kunde upprätta ett orsakssamband mellan förlust av interkalering och avslutning och förbättrad konduktivitet. "
Även om detta bekräftar en teori som har spekulerats i ett tag, Hart noterar att det har varit nästan omöjligt att exakt framkalla, spåra och mäta effekterna av dessa kemiska förändringar fram till nu. Så denna upptäckt är viktig inte bara för att den visar källan till MXenes beteende, men också hur beteendet kan ändras.
"De flesta experimentella studier som tittar på MXenes är inriktade på en specifik applikation - till exempel använder MXene för att skapa ett batteri och optimerar tillverkning och design för att maximera batteriets prestanda, "Hart sa." Vår studie ställer grundläggande frågor om egenskaperna hos MXenes och våra resultat ger tydliga riktlinjer för hur man kan förbättra konduktiviteten i MXenes, som direkt bör leda till förbättrad prestanda för applikationer som antenner och elektromagnetisk störning. "
Fynden är ett viktigt steg mot att optimera MXenes för olika applikationer - bärbar elektronik, energilagring och elektromagnetisk störning, finns bland dem i horisonten - liksom att förstå hur man gör dem stabila under atmosfäriska förhållanden under längre perioder. De pekar också vägen mot att skapa magnetiska MXener som kan användas för datalagringsenheter.
"Den här typen av forskning är grundläggande för utvecklingen av MXenes och deras eventuella integration i enheterna som förbättrar vårt dagliga liv, "sa Kanit Hantanasirisakul, doktorand vid Drexels tekniska högskola, och medförfattare till studien. "Det kommer att bli spännande att följa MXenes framsteg nu när vi har en bättre förståelse för hur vi ska styra deras egenskaper."
