Het afkoelen van de mxene met afgesloten water (links) leidt tot de vorming van amorfe ijsclusters (rechts), waardoor de afstand tussen de Mxene -lagen aanzienlijk wordt vergroot en de voorheen metallische mxene een halfgeleider wordt. Wanneer verwarmd, lossen de clusters op, neemt de afstand tussen de lagen af en wordt het monster opnieuw metaalachtig. Credit: HZB
Water heeft nog steeds onbekende kanten. Wanneer water in twee dimensies wordt gedwongen door het in geschikte materialen om te sluiten, ontstaan er nieuwe eigenschappen, faseovergangen en structuren. Mxenes als een klasse van materialen bieden een uniek platform voor het verkennen van dit soort fenomenen. MXenen bestaan uit overgangsmetaalcarbiden en nitriden met een gelaagde structuur waarvan de oppervlakken hen kunnen helpen om gemakkelijk water te absorberen. Het water vormt een extreem dunne film tussen de afzonderlijke lagen.
Een team onder leiding van Dr. Tristan Petit, HZB en Yury Gogotsi, Drexel University, heeft een reeks MXene -monsters onderzocht die ingesloten water en verschillende ionen in Bessy II bevatten met behulp van verschillende analytische methoden. Het werk is gepubliceerd in het dagboek Natuurcommunicatie.
Structurele analyse van röntgenfoto’s onthulde de vorming van amorfe ijsclusters in het afgesloten water, dat de afstand tussen de MXene-lagen verhoogt. De eerder metallic Mxene -film wordt vervolgens een halfgeleider.
“Wanneer ze boven 300 K worden verwarmd, lossen de clusters opnieuw op, waardoor de afstand tussen de lagen en hun metalen gedrag wordt hersteld”, zegt Petit.
Deze overgang van metaal-halfgeleider is daarom omkeerbaar, tenzij de waterlaag wordt verwijderd. Verdere röntgenonderzoeken met behulp van verschillende technieken onthulden unieke kenmerken in de waterstofbindingsnetwerken van water.
“In de volgende stap hebben we computerondersteunde modellering nodig om ons begrip van de vorming van amorf ijs en de impact ervan op elektronisch transport te verbeteren”, zegt Katherine Mazzio, die mede-eerste auteur van de studie is.
Ze concludeert dat Mxene ideaal is voor het onderzoeken van de faseveranderingen van beperkt water, waardoor nieuwe inzichten worden geboden in hoe water zich op nanoschaal gedraagt. Het gebruik van MXene als materiaal voor energieopslag en katalyse wordt al besproken en de rol van beperkt water in de unieke MXene -eigenschappen voor deze toepassingen wordt momenteel onderzocht.
Meer informatie:
Teng Zhang et al, geleidbaarheidshysterese in mxene aangedreven door structurele dynamiek van nanoconfined water, Natuurcommunicatie (2025). Doi: 10.1038/s41467-025-62892-7
Dagboekinformatie:
Natuurcommunicatie
Verstrekt door Helmholtz Association of Duitse onderzoekscentra