Hoe mxenes echt werken: nieuwe techniek werpt licht op de volgende generatie nanomaterialen

Onderzoekers hebben voor het eerst de ware eigenschappen van individuele MXene vlokken gemeten – een opwindend nieuw nanomateriaal met potentieel voor betere batterijen, flexibele elektronica en schone energie -apparaten.

Door een nieuwe op licht gebaseerde techniek te gebruiken genaamd spectroscopische micro-ellipsometrie, ontdekten ze hoe MXenen zich gedragen op het niveau van één flak, waardoor veranderingen in geleidbaarheid en optische respons werden onthuld die eerder verborgen waren bij het bestuderen van alleen gestapelde lagen. Deze doorbraak biedt de fundamentele kennis en hulpmiddelen die nodig zijn om slimmer, efficiëntere technologieën te ontwerpen die door MXenen worden aangedreven.

Mxenen zijn ultradunne materialen, slechts enkele atomen dik, gevierd vanwege hun vermogen om elektriciteit te leiden, energie op te slaan en te communiceren met licht. Tot nu toe onderzochten de meeste studies echter mxenen in bulkvorm – als dunne films bestaande uit vele overlappende vlokken. Die benadering, hoewel nuttig, maskeerde de unieke eigenschappen van enkele vlokken, waardoor onbeantwoorde vragen over hun ware potentieel achterbleven.

De nieuwe studie werd geleid door Dr. Andreas Furchner uit Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), samen met Dr. Ralfy Kenaz van het Institute of Physics van de Hebreeuwse Universiteit (Huji’s) Institute of Physics-een sterke samenwerking tussen de onderzoeksgroepen van Dr. Tristan Petit en Prof. Ronen Rapaport, respectievelijk. Het onthult voor het eerst hoe individuele Mxene -vlokken zich gedragen wanneer geïsoleerd en bestudeerd op nanoschaal. De bevindingen waren onlangs gepubliceerd in ACS nano.

Ellipsometrie is een van de meest geavanceerde niet -invasieve optische technieken voor materiaalkarakterisering. Conventionele ellipsometers worstelen echter inherent om gebieden te meten die kleiner zijn dan 50 micron – roughly de breedte van een menselijk haar – waardoor ze niet geschikt zijn voor het analyseren van de microscopische structuren die veel voorkomen in moderne technologie en onderzoek.

Als gevolg hiervan zijn ellipsometriemetingen op MXenen beperkt tot macroscopische dunne films gemaakt van gestapelde, overlappende vlokken. Deze beperking heeft directe metingen van individuele mxene vlokken voorkomen, waarvan de laterale dimensies veel kleiner zijn, waardoor een echt begrip van hun intrinsieke eigenschappen wordt belemmerd.

Om het probleem te kraken, gebruikten de onderzoekers een geavanceerde, gepatenteerde techniek die ze ontwikkelden en spectroscopische micro-ellipsometrie (MKB) noemen-in wezen een soort van “optische vingerafdrukken”-waardoor ze de optische, structurele en elektronische eigenschappen van enkele mxenvlokken met hoge laterale resolutie en zonder beschadiging konden meten.

In de studie werden individuele mxene vlokken van verschillende diktes gesynthetiseerd in HZB en naar Huji gestuurd voor MKB -metingen. Aanvullende nanoschaalmetingen werden uitgevoerd in het Nano Center van Huji en alle gegevensanalyses werden door beide groepen samengevoegd.

Door licht te glanzen met gedefinieerde polarisatietoestanden op microscopische vlokken zo dun als een enkele moleculaire laag en analyseren hoe dat licht weerspiegelde, bracht de onderzoekers in kaart hoe het materiaal vermogen om elektriciteit te leiden en te interageren met lichtveranderingen, afhankelijk van de dikte en structurele eigenschappen. Ze ontdekten dat naarmate mxene vlokken dunner worden, hun elektrische weerstand toeneemt-een kritisch inzicht voor het bouwen van betrouwbare, krachtige apparaten.

De methode was zo nauwkeurig dat het overeenkwam met beeldvormingstools op nanoschaal zoals atomaire krachtmicroscopie (AFM) en scantransmissie -elektronenmicroscopie (STEM), wat het vermogen bevestigde als een niet -invasief diagnostisch hulpmiddel.

Dr. Furchner van Helmholtz-Zentrum Berlin, die zijn uitgebreide expertise in ellipsometrie naar het Mxene-veld bracht, merkte op: “Het meten van hoe enkele mxene vlokken depolariseerden in staat stelde structurele intra-flake variaties in dikte op het nano-niveau te zien.

Dr. Kenaz van de Hebreeuwse Universiteit, ontwikkelaar en mede-uitvinder van de SME-techniek, zei: “Wat echt uitstekend met dit werk is, is dat we in minder dan één minuut direct de optische eigenschappen, dikte, structurele eigenschappen, structurele eigenschappen kunnen meten, en geleidbaarheid van individuele mxene vlokken-allemaal in een niet-vernietigende manier. Spectroscopische micro-ellipsometrie. “

Dr. Petit van Helmholtz-Zentrum Berlin legde uit: “Dit opent nieuwe onderzoeksvelden voor operando-karakterisering, die voorheen alleen mogelijk waren met synchrotron-technieken zoals STXM (scanning transmissie röntgenmicroscopie). We hebben nu een nieuwe, high-throughput-techniek om te begrijpen hoe MXenes evol

MXenen worden onderzocht voor een breed scala aan toepassingen – van ultrasnelle batterijen en waterzuiveringssystemen tot flexibele elektronica en oogst van zonne -energie. Inzicht in hoe het materiaal zich op het niveau van één fles gedraagt, is essentieel voor het ontwerpen van apparaten die zowel efficiënt als schaalbaar zijn.

Prof. Rapaport van de universiteit van Hebreeuws voegde eraan toe: “Dit werk biedt een routekaart voor het integreren van MXenes in echte technologieën door een direct beeld te geven van hun intrinsieke eigenschappen, zonder de interferentie van gestapelde lagen of onzuiverheden. Door te verfijnen hoe we deze materialen bestuderen met behulp van onze SME -techniek, zijn we de weg voor hun gebruik in opto -elektronische hulpmiddelen, energieoplossingen, en verder.”

De studie ontgrendelt niet alleen fundamentele kennis over MXenen, maar stelt ook spectroscopische micro-ellipsometrie vast als een nieuwe standaard voor het analyseren van 2D-materialen. Met deze doorbraak kunnen wetenschappers wereldwijd binnenkort de mogelijkheid krijgen om andere opkomende nanomaterialen op dezelfde manier te onderzoeken.

Zoals Dr. Petit van Helmholtz-Zentrum Berlin concludeerde: “Dit is een krachtige demonstratie van hoe internationale samenwerking en geavanceerde fysica de materialenwetenschap kunnen versnellen. Mxenen zijn nog maar het begin.”