I ricercatori hanno cercato a lungo materiali elettricamente conduttivi per dispositivi economici di accumulo di energia. Le ceramiche bidimensionali (2-D) chiamate MXenes sono contendenti. A differenza della maggior parte delle ceramiche 2-D, Gli MXene hanno una conduttività intrinsecamente buona perché sono fogli molecolari realizzati con carburi e nitruri di metalli di transizione come il titanio.

MXenes sono stati co-scoperti da Michael Naguib, ora Wigner Fellow presso l'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy, mentre conseguiva il suo dottorato di ricerca presso la Drexel University nel 2011. Gli strati MXene possono essere combinati per progettare un'elettronica ultrasottile, sensori, batterie, supercondensatori e catalizzatori. Da allora sono stati segnalati circa 20 MXene.

Recentemente, Scienziati dell'ORNL che utilizzano la microscopia elettronica a trasmissione a scansione all'avanguardia, o STEM, ha fornito la prima prova diretta delle configurazioni del difetto atomico in un MXene al carburo di titanio sintetizzato alla Drexel University. Pubblicato in ACS Nano , una rivista dell'American Chemical Society, lo studio ha accoppiato la caratterizzazione su scala atomica e le misurazioni delle proprietà elettriche con la simulazione basata sulla teoria.

"Utilizzando l'imaging al microscopio elettronico a trasmissione a scansione a risoluzione atomica, abbiamo visualizzato difetti e cluster di difetti in MXene che sono molto importanti per i futuri dispositivi nano elettronici e applicazioni catalitiche, " ha affermato l'autore principale Xiahan Sang del Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), un DOE Office of Science User Facility presso l'ORNL.

"I difetti a livello atomico possono essere ingegnerizzati nei materiali per abilitare nuove funzionalità, " ha affermato l'autore senior Raymond Unocic di CNMS. "La comprensione di questi difetti è fondamentale per l'avanzamento dei materiali".

L'imaging atomico da diverse prospettive è stata la chiave per rivelare la struttura di MXene. Quando il campione è allineato con il fascio di elettroni all'interno di uno strumento STEM, lo spettatore non può dire quanti fogli si trovano sotto lo strato superiore. Ma semplicemente inclinare il campione, e le differenze appaiono subito. Per esempio, uno strato multifoglio è costituito da atomi impilati, una struttura che forma un'immagine sfocata quando il livello è inclinato. La comparsa di immagini atomiche nitide in diverse condizioni di inclinazione ha dimostrato senza ambiguità la struttura a strato singolo del MXene.

Facile produzione in serie di un buon conduttore 2-D

I MXeni sono costituiti da un cristallo sfuso tridimensionale (3-D) chiamato MAX (la "M" indica un metallo di transizione; "A, " un elemento, come alluminio o silicio, da uno specifico gruppo chimico; e "X, " sia carbonio che azoto). Nel reticolo MAX da cui è emerso il MXene esplorato in questo studio, tre strati di carburo di titanio sono inseriti tra strati di alluminio.

I ricercatori Drexel hanno migliorato una tecnica sviluppata nel 2011 e modificata nel 2014 per sintetizzare MXene dalla fase bulk MAX utilizzando acidi. Il metodo migliorato è chiamato delaminazione dello strato minimamente intensiva, o MOLTO. "Andando con MILD, abbiamo finito con grandi scaglie di MXene di alta qualità, " disse Mohamed Alhabeb, uno studente di dottorato in scienza dei materiali presso la Drexel University, che ha compiuto questa impresa con un altro studente di dottorato, Katherine Van Aken, sotto la guida di uno dei co-scopritori di MXenes, Illustre professore universitario e direttore dell'A.J. Drexel Nanomaterials Institute Yury Gogotsi.

Per sintetizzare fiocchi di MXene indipendenti, il team Drexel ha prima trattato il bulk MAX con un agente mordenzante di sale fluorurato e acido cloridrico per rimuovere selettivamente strati di alluminio indesiderati tra gli strati di carburo di titanio. Quindi hanno agitato manualmente il materiale inciso per separare e raccogliere gli strati di carburo di titanio. Ogni strato ha uno spessore di cinque atomi ed è composto da atomi di carbonio che legano tre fogli di titanio. Incisione ed esfoliazione MAX produce molti di questi strati MXene indipendenti. Questa tecnica relativamente semplice può consentire la produzione su scala industriale.

L'incisione crea difetti:spazi vuoti che emergono quando gli atomi di titanio vengono estratti dalle superfici. I "difetti" sono effettivamente buoni in molte applicazioni dei materiali. Possono essere introdotti in un materiale e manipolati per potenziare il suo utile catalizzatore, proprietà ottiche o elettroniche.

Maggiore è la concentrazione di mordenzante, maggiore è il numero di difetti creati, lo studio ha trovato. "Abbiamo la capacità di regolare la concentrazione dei difetti, che potrebbe essere utilizzato per adattare le proprietà fisico-chimiche per i dispositivi di accumulo e conversione dell'energia, " ha detto Sang.

Inoltre, il numero di difetti non ha influenzato fortemente la conduttività elettrica di MXene. Al CNMS, Ming-Wei Lin e Kai Xiao hanno misurato le proprietà fisiche, compresa la conduttività elettrica, di vari promettenti materiali 2-D. Hanno scoperto che MXene era un ordine di grandezza meno conduttivo di un foglio di grafene perfetto, ma due ordini di grandezza più conduttivo del disolfuro di molibdeno metallico.

Utilizzando la modellazione e la simulazione, Paul Kent e Yu Xie di ORNL hanno calcolato l'energia necessaria per creare configurazioni atomiche di difetti che lo STEM di Sang ha mostrato come prevalenti.

Successivamente i ricercatori hanno in programma di regolare i difetti fino al livello atomico per adattare comportamenti specifici.