Con la strategia illustrata, è stato possibile condurre una ricerca teorica con migliaia di candidati iniziali per ottenere finalmente le migliori due fasi MAX per la potenziale sintesi di TiB MXenes, che hanno applicazioni promettenti in campi come la nanoelettronica. Credito:Nature Communications
Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hanno usato il boro come elemento X in una famiglia di materiali chiamati fasi MAX, per i quali in precedenza potevano essere utilizzati solo carbonio e azoto. Un'intelligente strategia di ricerca ha permesso loro di evitare di ricorrere a tentativi ed errori per progettare questo nuovo materiale, da cui si può ottenere TiB stratificato per applicazioni in batterie Li- o Na-ion.
Considerando che ci sono decine di elementi nella tavola periodica e migliaia di possibili combinazioni, non sorprende che i ricercatori ricorrano a modi ingegnosi per prevedere quali composti possono essere sintetizzati in pratica e avrebbero proprietà favorevoli. Una classe di materiali utili è denominata "fasi MAX". Questi sono composti ternari costituiti da tre elementi rappresentati da M, A e X che presentano proprietà ceramiche e metalliche.
Questi composti formano strutture a strati da cui può essere inciso lo "strato A", lasciandosi alle spalle ciò che è noto come MXenes 2-D. I MXenes hanno attirato molta attenzione perché possono assumere una serie di forme e strutture e offrono un'eccellente stabilità chimica e meccanica. Questo li rende applicabili in un'ampia varietà di campi, come batterie e catalisi.
Fino ad ora, I composti MAX sono stati limitati all'uso di carbonio o azoto per l'elemento X. Un team di ricerca della Tokyo Tech, guidato dal Prof. Hideo Hosono, studiato la possibilità di sintetizzare fasi MAX composte da titanio, indio e boro:Ti 2 InB 2 . Motivati dal fatto che i boruri hanno applicazioni promettenti nella nanoelettronica, il team alla fine ha cercato di sintetizzare MXenes basati su TiB.
Poiché la sintesi diretta di TiB stratificato è impossibile, il team ha dovuto prima determinare un elemento A per sintetizzare una fase MAX (ovvero, l'elemento centrale in Ti-A-B). Quindi dovrebbero trovare un modo per incidere lo strato A dalla fase MAX per ottenere l'ambito TiB stratificato. Per determinare quali elementi erano adatti per A nella fase MAX, hanno impiegato un'intelligente strategia di ricerca automatizzata attraverso calcoli assistiti da computer. Hanno prima analizzato le strutture "binarie" formate tra ciascuno dei candidati per A e TiB o Ti 3 B 4 . Quelli che si sono dimostrati stabili sono stati sottoposti a calcoli "ternari" per determinare la stabilità globale del composto ternario.
Per i migliori candidati è stata effettuata una verifica finale con calcoli strutturali ad alta precisione, che alla fine indicò Ti 2 InB 2 come l'opzione migliore. Con questa strategia, hanno ridotto il costo computazionale della loro ricerca e hanno dimostrato un approccio intelligente per trovare i composti ternari desiderati. "Una strategia fattibile per semplificare la ricerca di composti ternari basata sulla conoscenza del dominio disponibile è molto richiesta, " spiega Hosono.
Il team ha dimostrato che Ti 2 InB 2 potrebbe essere efficacemente sintetizzato, e poi esplorato la possibilità di rimuovere In dalla fase MAX per ottenere la fase MX desiderata. Sebbene il team sia riuscito a ottenere TiB stratificato dalla fase MAX, la sua struttura non era esattamente compatibile con quella dei MXene 2-D esistenti. Però, sintonizzando le condizioni necessarie del loro approccio, i ricercatori ritengono che sarà possibile ottenere TiB MXene in futuro. Così, hanno effettuato una serie di calcoli dimostrando le sue proprietà elettriche superiori, suggerendo la sua potenziale applicazione come eccellente materiale anodico per batterie agli ioni di litio o sodio. "La presente ricerca estenderà l'affascinante classe di fasi MAX e MXene, "conclude Hosono.
