Het in kaart brengen van de oppervlakken van MXenes, atoom voor atoom, onthult nieuwe mogelijkheden voor de 2D-materialen

In het decennium sinds hun ontdekking aan de Drexel University heeft de familie van tweedimensionale materialen, MXenes genaamd, veel belofte getoond voor toepassingen variërend van ontzilting van water En energie opslag naar elektromagnetische afscherming en telecommunicatie, onder andere.

Hoewel onderzoekers al lang speculeren over de oorsprong van hun veelzijdigheid, heeft een recent onderzoek onder leiding van Drexel en de Universiteit van Californië in Los Angeles voor het eerst een duidelijk beeld gegeven van de chemische oppervlaktestructuur die ten grondslag ligt aan de mogelijkheden van MXenes.

Met behulp van geavanceerde beeldvormingstechnieken, bekend als scanning tunneling microscopy (STM) en scanning tunneling spectroscopy (STS), bracht het team, waar ook onderzoekers van California State University Northridge en Lawrence Berkeley National Laboratory deel van uitmaken, de elektrochemische oppervlaktetopografie in kaart van het titaniumcarbide MXene, het meest bestudeerde en meest gebruikte lid van de familie.

Hun bevindingen, gepubliceerd in het dagboek Materiezal helpen de verschillende eigenschappen van de leden van de MXene-familie te verklaren en onderzoekers in staat stellen nieuwe materialen af ​​te stemmen op specifieke toepassingen.

“Een groot deel van het potentieel van MXenes is het resultaat van hun rijke oppervlaktechemie”, aldus Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University en Bach-professor aan Drexel’s College of Engineering, een van de hoofdauteurs van het onderzoek, wiens onderzoeksgroep deelnam aan de ontdekking van de materialen in 2011.

“De eerste blik op het oppervlak op atomaire schaal, met behulp van scanning tunneling microscopie, is een opwindende ontwikkeling die nieuwe mogelijkheden opent voor het beheersen van het materiaaloppervlak en het mogelijk maken van toepassingen van MXenes in geavanceerde technologieën.”

Hoewel MXenen tweedimensionale materialen zijn, wordt de interactie die de basis vormt van hun chemische, elektrochemische en katalytische eigenschappen (of het nu gaat om ultrasnelle opslag van elektrische energie, het splitsen van water om waterstof te produceren of het afschuimen van ureum uit bloed) geïnitieerd door de atomen die hun oppervlaktelaag vormen.

Eerder onderzoek heeft een lagere resolutie-blik op de chemische structuur van MXene-oppervlakken opgeleverd, met behulp van technologieën zoals scanning elektronenmicroscopie (SEM), secundaire ionenmassaspectroscopie (SIMS) en tip-verbeterde Raman-spectroscopie (TERS). Deze tools bieden indirecte metingen van de samenstelling van het materiaal, maar geven weinig informatie over de complexiteit van de oppervlakteorganisatie.

Scanning tunneling microscopie en scanning tunneling spectroscopie verschaffen daarentegen directere informatie over de vorm en samenstelling van de oppervlaktestructuur van een materiaal, evenals over de oppervlaktechemie en -eigenschappen.

Deze tools gebruiken een extreem scherpe sonde, gevoelig genoeg om het ene atoom van het andere te onderscheiden terwijl het over een plat oppervlak scant. De punt van de sonde draagt ​​een elektrische lading die het mogelijk maakt om te interacteren met elk atoom terwijl het er langs komt; deze interactie, quantum tunneling genoemd, geeft informatie over de atomen op het oppervlak van het materiaal. Spectroscopische scans geven informatie over de samenstelling van het oppervlak op atomair en moleculair niveau. De scans worden omgezet in afbeeldingen, waardoor topografische kaarten van het oppervlak van het materiaal ontstaan.

“Met STM/STS kunnen we atomaire arrangementen op het oppervlak van MXenes zien en zelfs hun geleiding met atomaire resolutie bestuderen,” zei Gogotsi. “Dit is de sleutel tot het begrijpen waarom MXenes extreme eigenschappen hebben en andere materialen in veel toepassingen overtreffen. Het zou ons ook moeten helpen om de kwantumeigenschappen van MXenes te onderzoeken en nieuwe kansen te identificeren voor deze snel groeiende familie van materialen.”

Volgens de onderzoekers zijn het lokaliseren van groepen atomen (functionele groepen genoemd), het identificeren ervan en het meten van hun eigenschappen op het oppervlak, gegeven hun specifieke locatie en bevestiging, allemaal belangrijke ontwikkelingen voor het begrijpen van hoe MXenen interacteren met andere chemicaliën en materialen.

“De MXene-oppervlakken zijn chemisch heterogeen. Dat is zowel wat ze interessant maakt als wat ze moeilijk te bestuderen maakt,” zei Paul Weiss, Ph.D., een vooraanstaand professor en UC Presidential Chair aan de UCLA die het onderzoek met Gogotsi leidde. “Wij geloven dat het ook de sleutel is tot hun verbazingwekkende eigenschappen. We weten echter nog niet welke chemische functionaliteiten belangrijk zijn voor welke toepassingen.”

De STM/STS-beelden van de groep lieten structuren van 10 nanometer zien op het oppervlak van MXene, waarschijnlijk clusters van titaniumoxide, en kleinere uitsteeksels, gerangschikt in een vervormde hexagonale symmetrie. Ze beschouwden deze als functionele groepen, die ze vervolgens chemisch identificeerden.

De resultaten van dit onderzoek kwamen overeen met eerdere theorieën, microscopie met lagere resolutie en spectrale gegevens over het oppervlak van titaniumcarbide MXenes, inclusief de voorspelling dat hun oppervlak metaalachtig is. Echter, een nadere blik op de oppervlaktedefecten en de aard van de heterogeniteit ervan is een belangrijke stap in het begrijpen hoe ze het gedrag van het materiaal beïnvloeden, aldus het team.

“In dit werk begonnen we aan de draadjes te trekken. We konden een beeld vormen en een aantal chemische functionaliteiten toewijzen,” zei Weiss. “Een van de meest interessante onbekende aspecten van MXenes is welke rol hun defecten en heterogeniteit spelen in hun functie en omgevingsstabiliteit. We hebben nu onze voet tussen de deur om deze rollen te onderzoeken.”

De groep zal voortbouwen op de gezamenlijke expertise van de materiaalkundigen van Drexel, de STM-groepen van UCLA en Lawrence Berkley National Laboratory en theoretische wetenschappers van Cal State Northridge. Ze zal de materialen nauwgezet blijven analyseren en een proces ontwikkelen om de chemische samenstelling ervan aan te passen en zo hun functionaliteit af te stemmen op verschillende toepassingen.