Gli scienziati il ​​cui compito è testare i limiti di ciò che la natura, in particolare la chimica, permetterà di esistere, ho appena aperto un negozio su alcuni nuovi immobili sulla tavola periodica. Usando un metodo che hanno inventato per unire strati elementali disparati in un materiale stabile con uniformità, proprietà prevedibili, I ricercatori della Drexel University stanno testando una serie di nuove combinazioni che potrebbero espandere notevolmente le opzioni disponibili per creare più velocemente, più piccoli, stoccaggio di energia più efficiente, elettronica avanzata e materiali resistenti all'usura.

Guidato dal ricercatore post-dottorato Babak Anasori, dottorato di ricerca, un team del Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali di Drexel ha creato il metodo di fabbricazione dei materiali, che può racchiudere fogli 2D di elementi che altrimenti non potrebbero essere combinati in modo stabile. E ne hanno dimostrato l'efficacia creando due nuovissimi, materiali bidimensionali stratificati con molibdeno, titanio e carbonio.

"Con il "sandwich" di uno o due strati atomici di un metallo di transizione come il titanio, tra strati monoatomici di un altro metallo, come il molibdeno, con atomi di carbonio che li tengono insieme, abbiamo scoperto che si può produrre un materiale stabile, "Anasori ha detto. "Era impossibile produrre un materiale 2-D con solo tre o quattro strati di molibdeno in tali strutture, ma poiché abbiamo aggiunto lo strato extra di titanio come connettore, siamo stati in grado di sintetizzarli."

La scoperta, che è stato recentemente pubblicato sulla rivista ACS Nano , è significativo perché rappresenta un nuovo modo di combinare i materiali elementari per formare gli elementi costitutivi della tecnologia di accumulo di energia, come batterie, condensatori e supercondensatori, così come i compositi super resistenti, come quelli utilizzati nelle custodie dei telefoni e nei giubbotti antiproiettile. Ogni nuova combinazione di strati spessi atomici presenta nuove proprietà e i ricercatori sospettano che uno, o più, di questi nuovi materiali presenterà proprietà di accumulo di energia e durabilità così sproporzionate rispetto alle sue dimensioni da poter rivoluzionare la tecnologia in futuro.

"Anche se è difficile da dire, a questo punto, esattamente cosa ne sarà di queste nuove famiglie di materiali 2-D che abbiamo scoperto, è sicuro dire che questa scoperta consente al campo della scienza dei materiali e delle nanotecnologie di spostarsi in un territorio inesplorato, " ha detto Anasori.

Materiali per la padronanza

La combinazione di fogli bidimensionali di elementi in modo organizzato per produrre nuovi materiali è stato l'obiettivo dei ricercatori di nanomateriali Drexel per oltre un decennio. Imporre questo tipo di organizzazione a livello atomico non è un compito facile.

"A causa della loro struttura e carica elettrica, alcuni elementi semplicemente non "piace" essere combinati, " ha detto Anasori. "È come cercare di impilare i magneti con i poli rivolti nella stessa direzione:non avrai molto successo e raccoglierai un sacco di magneti volanti".

Ma i ricercatori di Drexel hanno escogitato un modo intelligente per aggirare questa sfida chimica. Inizia con un materiale chiamato fase MAX, che è stato scoperto dal distinto professore Michel W. Barsoum, dottorato di ricerca, capo del gruppo di ricerca MAX/MXene, più di due decenni fa. Una fase MAX è come la melma primordiale che ha generato i primi organismi:tutti gli elementi del prodotto finito sono nella fase MAX, aspettando che i ricercatori impongano un po' di ordine.

Tale ordine è stato imposto da Michel W. Barsoum, PhD e Yury Gogotsi, dottorato di ricerca, Distinguished University and Trustee Chair Professor presso il College of Engineering e capo del Drexel Nanomaterials Group, quando hanno creato per la prima volta una stalla, bidimensionale, materiale stratificato chiamato MXene nel 2011.

Per creare MXene, i ricercatori estraggono selettivamente strati di atomi di alluminio da un blocco di fase MAX incidendoli con un acido.

"Pensa alla sintesi di MXene come separare strati di legno immergendo un foglio di compensato in una sostanza chimica che dissolve la colla, " disse Anasori. "Mettendo una fase MAX in acido, siamo stati in grado di incidere selettivamente alcuni strati e trasformare la fase MAX in molti sottili fogli 2-D, che chiamiamo MXenes."

Per quanto riguarda i materiali per lo stoccaggio dell'energia, MXenes è stata una rivelazione. Prima della loro scoperta, grafene, che è un singolo foglio di atomi di carbonio, è stato il primo materiale bidimensionale ad essere pubblicizzato per le sue potenziali capacità di accumulo di energia. Ma, in quanto composto da un solo elemento, carbonio, il grafene era difficile da modificare nella forma e quindi aveva capacità limitate di accumulo di energia. I nuovi MXene hanno superfici in grado di immagazzinare più energia.

Un'impasse elementare

Quattro anni dopo, i ricercatori si sono fatti strada attraverso la sezione della Tavola Periodica con elementi chiamati "metalli di transizione, " producendo fasi MAX e incidendole in MXene di varie composizioni testando nel contempo le loro proprietà di accumulo di energia.

La scoperta di Anasori arriva in un momento in cui il gruppo ha incontrato un ostacolo nel suo progresso attraverso la tavola degli elementi.

"Avevamo raggiunto un po' di impasse, quando si cerca di produrre un molibdeno contenente MXenes, " ha detto Anasori. " Aggiungendo titanio alla miscela siamo riusciti a realizzare una fase MAX di molibdeno ordinata, dove gli atomi di titanio sono al centro e il molibdeno all'esterno.

La prossima frontiera

Ora, con l'aiuto di calcoli teorici fatti dai ricercatori del FIRST Energy Frontier Research Center presso l'Oak Ridge National Laboratory, Il team di Drexel lo sa, in linea di principio, può utilizzare questo metodo per produrre fino a 25 nuovi materiali con combinazioni di metalli di transizione, come molibdeno e titanio, che in precedenza non sarebbe stato tentato.

"Avere la possibilità di stratificare elementi diversi nella forma più sottile di materiale conosciuta dalla comunità scientifica porta a nuove eccitanti strutture e consente un controllo senza precedenti sulle proprietà dei materiali, " ha detto Barsoum. "Questo nuovo metodo di stratificazione offre ai ricercatori un numero inimmaginabile di possibilità per la regolazione delle proprietà dei materiali per una varietà di applicazioni high-tech".

Anasori prevede di realizzare più materiali sostituendo il titanio con altri metalli, come il vanadio, niobio, e tantalio, che potrebbe portare alla luce una vena di nuove proprietà fisiche che supportano lo stoccaggio di energia e altre applicazioni.

"Questo livello di complessità strutturale, o stratificazione, nei materiali 2-D ha il potenziale per portare a molte nuove strutture con un controllo unico sulle loro proprietà, " Gogotsi ha detto. "Vediamo possibili applicazioni in termoelettrico, batterie, catalisi, celle solari, dispositivi elettronici, compositi strutturali e molti altri campi, consentendo un nuovo livello di ingegneria su scala atomica."