Dalla scoperta iniziale di quella che è diventata una famiglia in rapida crescita di materiali stratificati bidimensionali, chiamati MXenes, nel 2011, i ricercatori della Drexel University hanno compiuto progressi costanti nella comprensione della complessa composizione chimica e della struttura, nonché delle proprietà fisiche ed elettrochimiche, di questi materiali eccezionalmente versatili. Più di un decennio dopo, strumenti avanzati e un nuovo approccio hanno permesso al team di scrutare all'interno degli strati atomici per comprendere meglio la connessione tra la forma e la funzione dei materiali.

In un articolo recentemente pubblicato su Nature Nanotechnology , i ricercatori del College of Engineering di Drexel e dell'Istituto di tecnologia e dell'Istituto di microelettronica e fotonica di Varsavia della Polonia hanno riportato un nuovo modo di esaminare gli atomi che compongono gli MXeni e i loro materiali precursori, le fasi MAX, utilizzando una tecnica chiamata spettrometria di massa ionica secondaria. In tal modo, il gruppo ha scoperto atomi in luoghi in cui non erano previsti e imperfezioni nei materiali bidimensionali che potrebbero spiegare alcune delle loro proprietà fisiche uniche. Hanno anche dimostrato l'esistenza di una sottofamiglia completamente nuova di MXeni, chiamati ossicarburi, che sono materiali bidimensionali in cui fino al 30% degli atomi di carbonio sono sostituiti da ossigeno.

Questa scoperta consentirà ai ricercatori di costruire nuovi MXeni e altri nanomateriali con proprietà sintonizzabili più adatti per applicazioni specifiche da antenne per comunicazioni wireless 5G e 6G e schermi per interferenze elettromagnetiche; ai filtri per la produzione, lo stoccaggio e la separazione dell'idrogeno; ai reni indossabili per i pazienti in dialisi.

"Una migliore comprensione della struttura dettagliata e della composizione dei materiali bidimensionali ci consentirà di sbloccare il loro pieno potenziale", ha affermato Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University e professore di Bach al College, che ha guidato la ricerca sulla caratterizzazione di MXene. "Ora abbiamo un quadro più chiaro del motivo per cui gli MXenes si comportano come si comportano e saranno in grado di adattare la loro struttura e quindi i comportamenti per nuove importanti applicazioni."

La spettrometria di massa a ioni secondari (SIMS) è una tecnica comunemente usata per studiare superfici solide e film sottili e come la loro chimica cambia con la profondità. Funziona sparando un raggio di particelle cariche su un campione, che bombarda gli atomi sulla superficie del materiale e li espelle, un processo chiamato sputtering. Gli ioni espulsi vengono rilevati, raccolti e identificati in base alla loro massa e servono come indicatori della composizione del materiale.

Mentre SIMS è stato utilizzato per studiare materiali multistrato nel corso degli anni, la risoluzione della profondità è stata limitata esaminando la superficie di un materiale (diversi angstrom). Un team guidato da Pawel Michalowski, Ph.D., dell'Istituto polacco di microelettronica e fotonica, ha apportato numerosi miglioramenti alla tecnica, inclusa la regolazione dell'angolo e dell'energia del raggio, il modo in cui vengono misurati gli ioni espulsi; e pulire la superficie dei campioni, che ha permesso loro di spruzzare i campioni strato dopo strato. Ciò ha consentito ai ricercatori di visualizzare il campione con una risoluzione a livello di atomo che in precedenza non era stata possibile.

"La tecnica più vicina per l'analisi di strati sottili e superfici di MXenes è la spettroscopia fotoelettronica a raggi X, che abbiamo utilizzato in Drexel a partire dalla scoperta del primo MXene", ha affermato Mark Anayee, un dottorando nel gruppo di Gogotsi. "Mentre XPS ci ha dato solo uno sguardo alla superficie dei materiali, SIMS ci consente di analizzare gli strati sotto la superficie. Ci consente di 'rimuovere' esattamente uno strato di atomi alla volta senza disturbare quelli sotto di esso. Questo può dare abbiamo un quadro molto più chiaro che non sarebbe possibile con nessun'altra tecnica di laboratorio."

Mentre il team rimuoveva lo strato superiore di atomi, come un archeologo che porta alla luce con cura una nuova scoperta, i ricercatori hanno iniziato a vedere le sottili caratteristiche dell'impalcatura chimica all'interno degli strati di materiali, rivelando la presenza e il posizionamento inaspettati degli atomi e vari difetti e imperfezioni.

"Abbiamo dimostrato la formazione di MXeni contenenti ossigeno, i cosiddetti ossicarburi. Questo rappresenta una nuova sottofamiglia di MXeni, che è una grande scoperta". disse Gogotsi. "I nostri risultati suggeriscono che per ogni carburo MXene esiste un ossicarburo MXene, in cui l'ossigeno sostituisce alcuni atomi di carbonio nella struttura reticolare."

Poiché MAX e MXenes rappresentano una vasta famiglia di materiali, i ricercatori hanno ulteriormente esplorato sistemi più complessi che includono più elementi metallici. Hanno fatto diverse osservazioni rivoluzionarie, inclusa la mescolanza di atomi nel carburo di cromo-titanio MXene, che in precedenza si pensava fosse separato in strati distinti. E hanno confermato le scoperte precedenti, come la separazione completa degli atomi di molibdeno negli strati esterni e degli atomi di titanio nello strato interno in carburo di molibdeno-titanio.

Tutti questi risultati sono importanti per lo sviluppo di MXeni con una struttura finemente sintonizzata e proprietà migliorate, secondo Gogotsi.

"Ora possiamo controllare non solo la composizione elementare totale degli MXeni, ma anche sapere in quali strati atomici si trovano gli elementi specifici come carbonio, ossigeno o metalli", ha affermato Gogotsi. "Sappiamo che l'eliminazione dell'ossigeno aiuta ad aumentare la stabilità ambientale del carburo di titanio MXene e ad aumentarne la conduttività elettronica. Ora che abbiamo una migliore comprensione di quanto ossigeno aggiuntivo è presente nei materiali, possiamo adattare la ricetta, per così dire, a produrre MXene che non ce l'hanno e di conseguenza più stabili nell'ambiente".

Il team prevede inoltre di esplorare modi per separare gli strati di cromo e titanio, il che lo aiuterà a sviluppare MXeni con proprietà magnetiche attraenti. E ora che la tecnica SIMS ha dimostrato di essere efficace, Gogotsi prevede di utilizzarla in ricerche future, incluso il suo recente sforzo finanziato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti da 3 milioni di dollari per esplorare gli MXenes per lo stoccaggio dell'idrogeno, un passo importante verso lo sviluppo di un nuovo sostenibile fonte di energia.

"In molti modi, lo studio di MXenes nell'ultimo decennio è stato la mappatura di territori inesplorati", ha affermato Gogotsi. "Con questo nuovo approccio, abbiamo una guida migliore su dove cercare nuovi materiali e applicazioni". + Esplora ulteriormente

Scaglie di carburo di titanio ottenute mediante attacco selettivo di carburo di silicio di titanio