In mezzo a un'ondata di ricerche negli ultimi due decenni incentrate sulle proprietà speciali delle strutture che sono spesse solo un atomo o due, detti materiali "bidimensionali", i ricercatori della Drexel University hanno scoperto costantemente le proprietà eccezionali di una famiglia di questi materiali, chiamati MXene. I ricercatori ora sanno che gli MXene sono altamente conduttivi ed estremamente durevoli, possono bloccare le interferenze elettromagnetiche, percepire le sostanze chimiche nell'aria, togliere il sale dall'acqua, e cattura l'idrogeno. Hanno dimostrato di essere coinvolti nel futuro dell'accumulo di energia, comunicazione wireless e tecnologia indossabile. Ma prima che ciò possa accadere, i ricercatori devono capire perché MXenes può fare ciò che fanno e come possono essere progettati per farlo meglio.
Come materiali bidimensionali, I MXeni sono in gran parte definiti dalle loro superfici, tuttavia i ricercatori sono nelle prime fasi della misurazione diretta del modo in cui la chimica della superficie di MXenes influenza le loro prestazioni. I ricercatori del Dynamic Characterization Group del Drexel's College of Engineering hanno recentemente affrontato questa domanda sulla rivista Comunicazioni sulla natura . Il loro studio suggerisce che l'ingegneria degli atomi legati alle superfici di MXenes e le molecole tra i loro strati potrebbe migliorare notevolmente varie proprietà dei materiali.
Nel loro esame della chimica di superficie di MXene, le ricerche si sono basate su una nuova tecnica di microscopia elettronica - sviluppata a Drexel nel 2016 - che consente misurazioni senza precedenti della chimica superficiale che definisce le proprietà in tempo reale.
"Mentre l'idea di controllare le proprietà di MXene modificando la loro terminazione superficiale e intercalazione è sempre stata un obiettivo chiave nell'avanzamento di questi materiali, siamo i primi a raggiungere direttamente questo obiettivo e gettare le basi per l'ingegneria di questi materiali per migliorare la conduttività ed esplorare la possibilità di sviluppare semiconduttori, MXene magnetici e topologicamente isolanti, " disse Mitra Taheri, dottorato di ricerca, Professore Hoeganaes e capo del gruppo di caratterizzazione dinamica, l'autore principale dello studio. "Il Santo Graal è avere il controllo su ciò che accade tra le lenzuola, ' per così dire. Stiamo dimostrando un passo importante verso l'ingegneria delle terminazioni attraverso l'uso di nuove tecniche TEM in situ e la nostra tecnologia di spettroscopia a rilevamento diretto".
MXene, che sono stati scoperti per la prima volta a Drexel nel 2011, sono realizzati incidendo chimicamente un materiale ceramico stratificato chiamato fase MAX, per rimuovere una serie di strati chimicamente correlati, lasciando una pila di fiocchi bidimensionali. Sulla base dell'esatto attacco chimico utilizzato, le specie atomiche rimaste legate alle superfici dei fiocchi - le specie di terminazione - e le molecole che rimangono bloccate tra i fiocchi - gli intercalanti - varieranno. I ricercatori hanno ipotizzato che l'interazione tra MXene, specie di terminazione, e le specie di intercalazione hanno qualcosa a che fare con la conduttività di MXenes.
Ora lo hanno confermato.
Presso Drexel sono stati prodotti circa 30 diversi tipi di MXene, e questo studio ha esaminato il comportamento di tre che vengono frequentemente esplorati per le applicazioni. L'obiettivo dei ricercatori era misurare la conduttività di questi materiali prima di essere testati, e poi per monitorarlo man mano che gli intercalanti venivano rimossi e la chimica superficiale dei fiocchi veniva alterata.
Per fare questo, il team ha riscaldato gradualmente i materiali nel vuoto fino a temperature di 775 gradi Celsius. Durante il processo di riscaldamento, il team ha monitorato sia la resistenza elettronica del materiale, un modo per determinarne la conduttività, sia l'osservazione della dissipazione chimica, o de-intercalazione, dell'intercalante in tempo reale. Per effettuare queste misurazioni, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica che avevano precedentemente sviluppato, chiamata spettroscopia di perdita di energia degli elettroni a rilevamento diretto, che è ideale per monitorare i cambiamenti chimici nei materiali 2-D.
Lo stesso processo è stato in grado di monitorare e studiare il rilascio degli atomi di terminazione dalla superficie dei fiocchi di MXene. In entrambi i casi, misure della resistenza elettrica del materiale, ha rivelato che sono diventati più conduttivi man mano che gli intercalanti e le specie di terminazione sono stati eliminati.
"Nel nostro studio, abbiamo iniziato con MXenes che avevano un mix di ossigeno, idrossido, e specie di terminazione del fluoro, e abbiamo mostrato che quando rimuovi parzialmente questi gruppi di terminazione di superficie, la conduttività aumenta notevolmente. Questo è vero anche perché l'acqua e le molecole organiche sono de-intercalate, "ha detto Jamie Hart, un ricercatore di dottorato nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali e un autore della ricerca. "È importante che testando questi materiali al microscopio elettronico e misurandoli con la spettroscopia di perdita di energia degli elettroni, siamo stati in grado di stabilire una relazione causale tra intercalazione e perdita di terminazione e una migliore conduttività."
Sebbene ciò confermi una teoria che è stata speculata per qualche tempo, Hart osserva che è stato quasi impossibile indurre con precisione, tracciare e misurare gli effetti di questi cambiamenti chimici fino ad ora. Quindi questa scoperta è significativa non solo perché mostra la fonte del comportamento di MXenes, ma anche come il comportamento può essere modificato.
"La maggior parte degli studi sperimentali che esaminano MXenes sono orientati verso un'applicazione specifica, ad esempio, utilizzando MXene per realizzare una batteria e ottimizzando la fabbricazione e il design per massimizzare le prestazioni della batteria, "Ha detto Hart. "Il nostro studio pone domande fondamentali sulle proprietà di MXenes e i nostri risultati forniscono linee guida chiare su come migliorare la conduttività in MXenes, che dovrebbe tradursi direttamente in prestazioni migliorate per applicazioni come antenne e schermature contro le interferenze elettromagnetiche."
I risultati sono un passo importante verso l'ottimizzazione di MXenes per varie applicazioni:elettronica indossabile, accumulo di energia e schermatura contro le interferenze elettromagnetiche, sono tra quelli all'orizzonte, oltre a capire come renderli stabili in condizioni atmosferiche per lunghi periodi di tempo. Indicano anche la strada verso la creazione di MXene magnetici che potrebbero essere utilizzati per dispositivi di archiviazione dati.
"Questo tipo di ricerca è fondamentale per lo sviluppo di MXenes e la loro eventuale integrazione nei dispositivi che migliorano la nostra vita quotidiana, " disse Kanit Hantanasirisakul, un dottorando presso il College of Engineering di Drexel, e co-autore dello studio. "Sarà emozionante seguire i progressi di MXenes ora che abbiamo una migliore comprensione di come controllare le loro proprietà".
