Nanomateriaal werkt als een moleculaire thermometer

Een gelaagd materiaal ontwikkeld door KAUST-onderzoekers kan fungeren als een nauwkeurige temperatuursensor door gebruik te maken van hetzelfde principe dat wordt gebruikt in biologische ionenkanalen.

Menselijke cellen bezitten verschillende eiwitten die als kanalen voor geladen ionen fungeren. In de huid zijn bepaalde ionenkanalen afhankelijk van warmte om een ​​stroom ionen aan te drijven die elektrische signalen genereren, die we gebruiken om de temperatuur van onze omgeving waar te nemen.

Geïnspireerd door deze biologische sensoren, bereidden KAUST-onderzoekers een titaniumcarbideverbinding (Ti₃C₂T_X) bekend als een MXene, die meerdere lagen bevat van slechts enkele atomen dik. Elke laag is bedekt met negatief geladen atomen, zoals zuurstof of fluor. “Deze groepen fungeren als afstandhouders om naburige nanobladen uit elkaar te houden, waardoor watermoleculen de interplanaire kanalen kunnen binnendringen”, zegt KAUST-postdoc Seunghyun Hong, onderdeel van het team achter de nieuwe temperatuursensor. De kanalen tussen de MXene-lagen zijn smaller dan een enkele nanometer.

De onderzoekers gebruikten technieken, zoals röntgendiffractie en scanning-elektronenmicroscopie, om hun MXene te onderzoeken, en ze ontdekten dat het toevoegen van water aan het materiaal de kanalen tussen de lagen enigszins verbreed. Toen het materiaal een oplossing van kaliumchloride raakte, waren deze kanalen groot genoeg om positieve kaliumionen door het MXene te laten bewegen, maar blokkeerden ze de doorgang van negatieve chloride-ionen.

Het team heeft een klein apparaat gemaakt met de MXene en het ene uiteinde ervan blootgesteld aan zonlicht. MXenes zijn bijzonder efficiënt in het absorberen van zonlicht en zetten die energie om in warmte. De resulterende temperatuurstijging zorgde ervoor dat watermoleculen en kaliumionen door de nanokanalen stroomden van het koelere uiteinde naar het warmere deel, een effect dat bekend staat als thermo-osmotische stroming. Dit veroorzaakte een spanningsverandering vergelijkbaar met die waargenomen in biologische temperatuurgevoelige ionenkanalen. Als gevolg hiervan kon het apparaat op betrouwbare wijze temperatuurveranderingen van minder dan één graad Celsius waarnemen.

Door het zoutgehalte van de kaliumchloride-oplossing te verlagen, werden de prestaties van het apparaat verbeterd, gedeeltelijk door de selectiviteit van het kanaal voor kaliumionen verder te vergroten.

Toen de onderzoekers de intensiteit van het licht dat op het materiaal scheen verhoogden, steeg de temperatuur in dezelfde mate, evenals de ionentransporterende respons. Dit suggereert dat het materiaal niet alleen als temperatuursensor kan dienen, maar ook kan worden gebruikt om de lichtintensiteit te meten.

Het werk was het resultaat van samenwerking tussen de groepen KAUST-professoren Husam Alshareef en Peng Wang. “We voorzien dat de MXene-kationkanalen veelbelovend zijn voor veel potentiële toepassingen, waaronder temperatuurdetectie, fotodetectie of fotothermo-elektrische energieoogst”, zegt Alshareef, die het team mede leidde.