Sedan den första upptäckten av vad som har blivit en snabbt växande familj av tvådimensionella skiktade material - kallade MXenes - 2011, har Drexel University forskare gjort stadiga framsteg i att förstå den komplexa kemiska sammansättningen och strukturen, såväl som de fysikaliska och elektrokemiska egenskaperna, av dessa exceptionellt mångsidiga material. Mer än ett decennium senare har avancerade instrument och ett nytt tillvägagångssätt gjort det möjligt för teamet att titta in i atomskikten för att bättre förstå sambandet mellan materialens form och funktion.

I en artikel som nyligen publicerades i Nature Nanotechnology , rapporterade forskare från Drexel's College of Engineering och Polens Warszawa Institute of Technology och Institute of Microelectronics and Photonics ett nytt sätt att se på atomerna som utgör MXener och deras prekursormaterial, MAX-faser, med hjälp av en teknik som kallas sekundär jonmasspektrometri. Genom att göra det upptäckte gruppen atomer på platser där de inte förväntades och brister i de tvådimensionella materialen som kunde förklara några av deras unika fysikaliska egenskaper. De visade också förekomsten av en helt ny underfamilj av MXener, kallade oxikarbider, som är tvådimensionella material där upp till 30 % av kolatomerna ersätts med syre.

Denna upptäckt kommer att göra det möjligt för forskare att bygga nya MXener och andra nanomaterial med avstämbara egenskaper som är bäst lämpade för specifika applikationer från antenner för 5G och 6G trådlös kommunikation och sköldar för elektromagnetisk störning; till filter för väteproduktion, lagring och separation; till bärbara njurar för dialyspatienter.

"Bättre förståelse för den detaljerade strukturen och sammansättningen av tvådimensionella material kommer att tillåta oss att låsa upp deras fulla potential", säger Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University och Bach-professor vid College, som ledde MXene-karakteriseringsforskningen. "Vi har nu en tydligare bild av varför MXenes beter sig som de gör och kommer att kunna skräddarsy sin struktur och därmed beteenden för viktiga nya applikationer."

Sekundär jonmasspektrometri (SIMS) är en vanlig teknik för att studera fasta ytor och tunna filmer och hur deras kemi förändras med djupet. Det fungerar genom att skjuta en stråle av laddade partiklar mot ett prov, som bombarderar atomerna på materialets yta och skjuter ut dem - en process som kallas sputtering. De utstötta jonerna detekteras, samlas in och identifieras baserat på deras massa och fungerar som indikatorer på materialets sammansättning.

Medan SIMS har använts för att studera flerskiktsmaterial genom åren, har djupupplösningen varit begränsad när man undersöker ytan på ett material (flera ångström). Ett team ledd av Pawel Michalowski, Ph.D., från Polens Institute of Microelectronics and Photonics, gjorde ett antal förbättringar av tekniken, inklusive justering av strålens vinkel och energi, hur de utstötta jonerna mäts; och rengöring av ytan på proverna, vilket gjorde det möjligt för dem att förstofta prover lager för lager. Detta gjorde det möjligt för forskarna att se provet med en upplösning på atomnivå som inte tidigare varit möjlig.

"Den närmaste tekniken för analys av tunna skikt och ytor av MXener är röntgenfotoelektronspektroskopi, som vi har använt på Drexel från och med upptäckten av den första MXene", säger Mark Anayee, doktorand i Gogotsis grupp. "Medan XPS bara gav oss en titt på ytan av materialen, låter SIMS oss analysera lagren under ytan. Det tillåter oss att "ta bort" exakt ett lager av atomer i taget utan att störa dem under det. Detta kan ge oss en mycket tydligare bild som inte skulle vara möjlig med någon annan laboratorieteknik."

När teamet skalade tillbaka det övre lagret av atomer, som en arkeolog som noggrant grävde fram ett nytt fynd, började forskarna se de subtila egenskaperna hos den kemiska byggnadsställningen inom lagren av material, vilket avslöjade den oväntade närvaron och placeringen av atomer, och olika defekter och ofullkomligheter.

"Vi demonstrerade bildandet av syreinnehållande MXener, så kallade oxikarbider. Detta representerar en ny underfamilj av MXener - vilket är en stor upptäckt." sa Gogotsi. "Våra resultat tyder på att för varje karbid MXene finns det en oxikarbid MXene, där syre ersätter vissa kolatomer i gitterstrukturen."

Eftersom MAX och MXenes representerar en stor familj av material, undersökte forskarna ytterligare mer komplexa system som inkluderar flera metallelement. De gjorde flera banbrytande observationer, inklusive blandningen av atomer i krom-titankarbid MXene - som tidigare troddes vara separerade i distinkta lager. Och de bekräftade tidigare fynd, såsom den fullständiga separationen av molybdenatomer till yttre skikt och titanatomer till det inre skiktet i molybden-titankarbid.

Alla dessa fynd är viktiga för att utveckla MXenes med en finjusterad struktur och förbättrade egenskaper, enligt Gogotsi.

"Vi kan nu kontrollera inte bara den totala elementsammansättningen av MXener, utan också veta i vilka atomlager de specifika elementen som kol, syre eller metaller finns", sa Gogotsi. "Vi vet att eliminering av syre hjälper till att öka miljöstabiliteten hos titankarbid MXene och öka dess elektroniska konduktivitet. Nu när vi har en bättre förståelse för hur mycket extra syre som finns i materialen kan vi justera receptet - så att säga - till att producera MXenes som inte har det, och som ett resultat mer stabila i miljön."

Teamet planerar också att utforska sätt att separera lager av krom och titan, vilket kommer att hjälpa det att utveckla MXenes med attraktiva magnetiska egenskaper. Och nu när SIMS-tekniken har visat sig vara effektiv, planerar Gogotsi att använda den i framtida forskning, inklusive hans senaste 3 miljoner dollar finansierade försök från det amerikanska energidepartementet att utforska MXenes för vätelagring – ett viktigt steg mot utvecklingen av en ny hållbar energikälla.

"På många sätt har studier av MXenes under det senaste decenniet kartlagt okänt territorium," sa Gogotsi. "Med detta nya tillvägagångssätt har vi bättre vägledning om var vi ska leta efter nya material och applikationer." + Utforska vidare

Titankarbidflingor erhållna genom selektiv etsning av titankiselkarbid