Door licht geïnduceerde vormverschuiving van MXenes

Ultrasnelle laserspectroscopie maakt het mogelijk om de beweging van atomen te observeren op hun natuurlijke tijdschalen in het bereik van femtoseconden, de miljoenste van een miljardste van een seconde. Elektronenmicroscopie biedt daarentegen atomaire ruimtelijke resolutie. Door elektronen en fotonen in één instrument te combineren, heeft de groep van professor Peter Baum aan de Universiteit van Konstanz enkele van de snelste elektronenmicroscopen ontwikkeld voor het verkrijgen van gedetailleerd inzicht in materialen en hun dynamiek met ultieme resoluties in zowel ruimte als tijd.

In hun recente publicatie in ACS Nano, hebben wetenschappers van het Baum-lab deze techniek samen met collega’s van ETH Zürich toegepast om nieuwe materialen te bestuderen – tweedimensionale moleculair gedefinieerde platen genaamd MXenes – en een verrassende ontdekking gedaan. Met behulp van laserpulsen kunnen MXenes herhaaldelijk worden geschakeld tussen een platte en een gegolfde vorm, waardoor een breed spectrum aan mogelijke toepassingen wordt geopend.

MXenes: nieuwe tweedimensionale materialen

MXenen zijn tweedimensionale platen van overgangsmetaalcarbiden of nitriden in de vorm van enkele atomen dikke enkele lagen. “MXenen zijn vergelijkbaar met een molecuul in één ruimtelijke dimensie en met een uitgebreide vaste stof in de andere twee”, beschrijft Dr. Mikhail Volkov, eerste auteur van de recente studie, de structuur van MXenen. MXenen worden gesynthetiseerd door de dunne materiaallagen van een voorlopermateriaal te “afpellen”, een proces dat exfoliatie wordt genoemd.

In tegenstelling tot de meeste andere enkellaagse materialen, kunnen MXenen gemakkelijk in grote hoeveelheden worden geproduceerd, dankzij de ontdekking van een schaalbare en onomkeerbare chemische exfoliatiemethode. De chemische en fysische eigenschappen van MXenes kunnen op grote schaal worden afgestemd door de keuze van het overgangsmetaal, wat leidt tot wijdverbreide toepassingen van MXenes in detectie, energieopslag, lichtopbrengst en antibacteriële werking.

Nanogolven in MXenes gevormd door snel licht

In hun onderzoek hebben hoofdonderzoekers Dr. Mikhail Volkov van de Universiteit van Konstanz en Dr. Elena Willinger van ETH Zürich een nieuwe manier gevonden om de eigenschappen van MXenen te verbeteren door er snelle lichtpulsen op te laten schijnen. Met behulp van ultrasnelle elektronenmicroscopie met atomaire ruimtelijke resolutie namen ze een film op van MXenen die interageren met femtoseconde laserpulsen, wat aantoont dat de laserenergie wordt overgedragen naar het atoomrooster in een recordtijd van slechts 230 femtoseconden.

Onverwacht ontdekten de wetenschappers ook dat femtoseconde laserlicht kan worden gebruikt om heen en weer te schakelen tussen de oorspronkelijk vlakke oppervlaktestructuur van de MXene en een nanogolfvorm van het materiaal – een heuvel-en-dal “nano-landschap” met een periodiciteit die meer dan vijftig keer fijner is dan de lasergolflengte. “We kunnen de oriëntatie van de nanogolf regelen met de polarisatie van de laser, wat betekent dat het materiaal een optisch geheugen heeft op nanoschaal.

Bovendien, als de laser opnieuw toeslaat, verandert de nano-gegolfde MXene terug in een vlak en blijft plat tijdens verlichting. De extreem kleine omvang van de nanogolven en de snelle roosterreactie zijn ook behoorlijk verrassend, en waarschijnlijk is er sprake van een fenomeen dat plasmon-fononkoppeling wordt genoemd”, legt Volkov uit.

Nanogolven verbeteren de materiaalprestaties

“Nanostructurering in de vorm van golven verhoogt ook de oppervlakte-tot-volumeverhouding van de materialen, waardoor ze chemisch reactiever worden. Bovendien verbetert het de lokale elektromagnetische velden, waardoor de koppeling met licht verbetert – een waardevolle eigenschap voor toepassingen detecteren”, zegt Volkov. De wetenschappers verwachten daarom dat de ontdekte nano-gegolfde MXenen een verbeterde energieopslagcapaciteit en verbeterde katalytische of antibiotische activiteit zullen vertonen. “Ten slotte opent de mogelijkheid om de structuur van MXenes te schakelen tussen vlak en golvend ‘on demand’ via een laserpuls intrigerende manieren om de materialen te gebruiken in actieve plasmonische, chemische en elektrische apparaten”, besluit Volkov.