Wissenschaftler des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums bringen die Materialentwicklung näher an die atomare Ebene heran und demonstrieren, wie MXene auf nahezu atomarer Ebene modifiziert werden können, um fortschrittliche Technologien zu schaffen.
In zwei kürzlich erschienenen Publikationen demonstrierten Forscher neue Wege, die Arten der Atome in MXenen, deren Anordnung und die chemischen Gruppen, die sich an ihre atomdünnen Oberflächen anlagern, zu kontrollieren.
MXene (ausgesprochen «Max-ins») sind eine Familie zweidimensionaler Materialien, die oft nur wenige Atomlagen dick sind. Sie bestehen hauptsächlich aus Übergangsmetallen wie Titan, Vanadium oder Molybdän, die an Kohlenstoff und/oder Stickstoff gebunden sind.
Erweiterung der MXene-Materialfamilie.
MXene bilden zunächst geschichtete Feststoffe, sogenannte MAX-Phasen. Durch chemisches Entfernen einer Schichtart aus einer MAX-Phase lassen sich die verbleibenden Schichten in dünne, flache MXen-Schichten trennen.
«Ich stelle mir MAX-Phasen gerne als ein Lehrbuch vor, bei dem alle Seiten zusammengeklebt sind, und MXene als die eine Seite, die man herausnehmen möchte», erklärte Brian Wyatt, ein Maria Goeppert-Mayer Fellow am Argonne National Laboratory.
«Man muss den Klebstoff auflösen und das Blatt vorsichtig entfernen. Klebstoff und Blatt stellen unterschiedliche chemische Umgebungen dar, daher halten sich die Atome bevorzugt in der Nähe bestimmter Schichten auf», fügte er hinzu.
In einer in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Studie erzeugten Wissenschaftler des Argonne National Laboratory 40 verschiedene MAX-Phasen, die jeweils mindestens zwei Metalle und in einigen Fällen bis zu neun Metalle in einer einzigen Struktur enthielten.
Mit diesem Erfolg wurde der bekannte chemische Raum, der zur Herstellung von MXenen genutzt werden kann, nahezu verdoppelt.
Wenn die atomare Ordnung verletzt wird
Forscher haben herausgefunden, dass die atomare Ordnung erhalten bleibt, wenn ein Material bis zu sechs verschiedene Metalle enthält. Werden jedoch sieben oder mehr Metalle hinzugefügt, wird diese Struktur gestört, und die Atome geraten in völlige Unordnung.
«Hier setzt die Entropie ein, die natürliche Tendenz zur Zufälligkeit», sagte Wyatt. «Die Natur bevorzugt eine gewisse Ordnung, aber sobald wir genügend unterschiedliche Bestandteile hinzufügen, wird es für die Atome zu schwierig, geordnet zu bleiben», fügte er hinzu.
Mithilfe der Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) maß das Team die Struktur des Materials Schicht für Schicht, um die Position der verschiedenen Atome zu bestimmen.
Strukturmaterialien für zukünftige Technologien
«Wir nennen sie gerne Designmaterialien», sagte Wyatt. „Wenn ich etwas Bestimmtes brauche, verwende ich diese Kompositionen; wenn ich etwas anderes brauche, verwende ich andere. Es gibt so viele Leute in der Gruppe, dass wir je nach unseren Bedürfnissen Designs erstellen können.“.
Eine vielversprechende Anwendung ist die Abschirmung elektromagnetischer Störungen, bei der MXene selbst in nanometerdünnen Beschichtungen unerwünschte Signale blockieren können.
Forscher untersuchen sie auch im Kontext der Katalyse, wo ihre offenen zweidimensionalen Oberflächen den Bedarf an teuren Materialien wie Platin verringern könnten.
«Die Möglichkeit, die Eigenschaften von MXenen gezielt einzustellen, ist der Schlüssel zur Katalyse», sagte Muhoza.
«Manchmal werden bestimmte Metalle als aktive Zentren benötigt, aber nur ein kleiner Bereich des Basismaterials ist aktiv. MXene ermöglichen es, diese Metalle auf einer zweidimensionalen Struktur zu platzieren, sodass sie alle zugänglich sind», fügte er hinzu.
Die nächste Herausforderung besteht darin, diese Materialien für die Produktion und industrielle Anwendungen zu skalieren. Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen können Forschern helfen, die am besten geeigneten Elementkombinationen für Tests zu ermitteln.