Denna SEM-bild visar ett lamellärt membran som framställts av MXene före exponering för vatten/ljus/värme. Kredit:KAUST 2020
Ett skiktat material utvecklat av KAUST-forskare kan fungera som en exakt temperatursensor genom att utnyttja samma princip som används i biologiska jonkanaler.
Mänskliga celler har olika proteiner som fungerar som kanaler för laddade joner. I huden, vissa jonkanaler är beroende av värme för att driva ett flöde av joner som genererar elektriska signaler, som vi använder för att känna av temperaturen i vår omgivning.
Inspirerad av dessa biologiska sensorer, KAUST-forskare beredde en titankarbidförening (Ti 3 C 2 T x ) känd som en MXene, som innehåller flera lager bara några få atomer tjocka. Varje lager är täckt med negativt laddade atomer, såsom syre eller fluor. "Dessa grupper fungerar som distanser för att hålla isär närliggande nanoark, låta vattenmolekyler komma in i de interplanära kanalerna, " säger KAUST postdoc Seunghyun Hong, en del av teamet bakom den nya temperatursensorn. Kanalerna mellan MXene-lagren är smalare än en enda nanometer.
Forskarna använde tekniker, såsom röntgendiffraktion och svepelektronmikroskopi, för att undersöka deras MXene, och de fann att tillsats av vatten till materialet vidgade kanalerna mellan lagren något. När materialet vidrörde en lösning av kaliumklorid, dessa kanaler var tillräckligt stora för att tillåta positiva kaliumjoner att röra sig genom MXene, men blockerade passagen av negativa kloridjoner.
En temperaturskillnad mellan två ändar av en MXene nanokanal gör att vatten och kaliumjoner strömmar från den kalla sidan till den varma sidan (överst). När solljus bara värmer en del av en MXene-enhet, ett termo-osmotiskt flöde genererar en spänning som kan indikera små temperaturförändringar (botten). Kredit:ACS Nano; Alshareef, H.N. et al.
Teamet skapade en liten enhet som innehöll MXene och exponerade ena änden av den för solljus. MXenes är särskilt effektiva för att absorbera solljus och omvandla den energin till värme. Den resulterande temperaturökningen fick vattenmolekyler och kaliumjoner att strömma genom nanokanalerna från den kallare änden till den varmare delen, en effekt som kallas termo-osmotiskt flöde. Detta orsakade en spänningsförändring jämförbar med den som ses i biologiska temperaturavkännande jonkanaler. Som ett resultat, enheten kunde på ett tillförlitligt sätt känna av temperaturförändringar på mindre än en grad Celsius.
Att minska salthalten i kaliumkloridlösningen förbättrade enhetens prestanda, delvis genom att ytterligare förbättra kanalens selektivitet för kaliumjoner.
När forskarna ökade intensiteten av ljus som skiner på materialet, dess temperatur steg i samma takt, liksom det jontransporterande svaret. Detta tyder på att materialet tillsammans med att fungera som en temperatursensor också kan användas för att mäta ljusintensiteten.
Arbetet var ett resultat av samarbete mellan grupperna av KAUST-professorerna Husam Alshareef och Peng Wang. "Vi föreställer oss att MXene-katjonkanalerna har lovande för många potentiella applikationer, inklusive temperaturavkänning, fotodetektion eller fototermoelektrisk energiskörd, säger Alshareef, som var med och ledde laget.