Onderzoekers maken 2D -nanomaterialen met maximaal negen metalen voor extreme omstandigheden

Tweedimensionale nanomaterialen worden slechts enkele atomen dik onderzocht voor een reeks kritieke toepassingen in biomedicine, elektronica, nanodevices, energieopslag en andere gebieden, met name om de prestaties in extreme omgevingen en ultra-betwistende omstandigheden te verbeteren.

Maar het handhaven van de volgorde en stabiliteit die van vitaal belang is voor meer wijdverbreide en voorspelbaar betrouwbare nanomateriaaltoepassingen is kieskeurig; Materie kan ongewoon fysisch en chemisch gedrag vertonen op nanoschaal. Datzelfde eigenzinnige gedrag, indien begrepen en gecorrigeerd, kan veel voordelen bieden door de mogelijkheid om de materiaalstructuur op extreem kleine schalen aan te passen om aanpasbare eigenschappen en prestatiemogelijkheden te bereiken.

Babak Anasori is de Reilly Rising Star -universitair hoofddocent materialen en werktuigbouwkunde aan de Purdue University. Zijn onderzoeksgroep bestudeert de familie van 2D-materialen die bekend staan ​​als MXenen (uitgesproken als “Max-thers”), die in 2011 werden ontdekt en sindsdien de grootste bekende familie van 2D-nanomaterialen zijn geworden.

Mxenen zijn 2D-carbiden en nitriden-beeldmaterialen zoals titaniumcarbide of wolfraamcarbide, maar in ultrathijn 1-nanometerplaten, die ongeveer 100.000 keer dunner is dan een menselijk haar. Elk nanometerblad is gemaakt van slechts enkele lagen atomen. Hun gelaagde constructie biedt een combinatie van eigenschappen – zoals een hoge elektrische geleidbaarheid, hydrofiliciteit (gemakkelijk oplosbaar), compositorische afstemming en nieuwe functionaliteit – waardoor ze ideale bouwstenen voor een verscheidenheid aan toepassingen in technologie maken.

In het recente artikel van Anasori, “volgorde om overgang te bevorderen als gevolg van entropie in gelaagde en 2D -carbiden”, ” gepubliceerd in Wetenschapde limieten voor de constructie van deze ultrathinematerialen werden getest.

Anasori en medewerkers van Vanderbilt University; de Universiteit van Pennsylvania; Drexel University; Argonne National Laboratory; en het Instituut voor Micro-elektronica en fotonica in Warschau, Polen, konden negen overgangsmetalen uit het periodiek systeem in een enkel 2D-vel mxene plaatsen, wat een belangrijke vooruitgang is in de synthese van “high-entropy” mxenen.

Door deze gecompliceerde taak te voltooien, konden ze de ware rol van entropie (een maat voor wanorde of willekeur in een systeem) evalueren versus enthalpie (de chemische voorkeur voor orde) in deze high-entropiematerialen, omdat het cruciaal is voor het succesvolle ontwerp en de implementatie van nanomaterialen in gebruikte cases.

De impact van deze studie gaat verder dan het ontwerp van enkele 2D-fasen met hoge entropie. In hun onderzoek heeft het onderzoeksteam bijna 40 verschillende gelaagde materialen ontworpen, ontdekt en gekarakteriseerd met verschillende aantallen metaalcombinaties, twee, vier, vijf, helemaal tot negen metalen.

“Dit zijn nieuwe gelaagde carbiden, in feite nieuwe atomaire sandwiches. Een fascinerend aspect is hoe atomen zijn gerangschikt in deze broodjes,” zei Anasori. “Stel je voor dat je cheeseburgers maakt met twee tot negen ingrediënten (lagen). Stel je voor dat je alle ingrediënten, inclusief de runderpasteitje, kaas, sla, tomaat, augurken en broodjes in een magische doos stopte en het een shake geeft (een bron van energie bieden).

“Wanneer je de doos opent, assembleert een cheeseburger zichzelf in een mooie sandwich. Nog fascinerender is dat elke keer dat je het doet, de Magic Box de lagen altijd in een vaste volgorde plaatst. De Patty is bijvoorbeeld altijd onder de groenten.

“Dit is wat er met onze fasen gebeurt wanneer we twee tot zes metalen gebruiken; de resulterende structuren tonen een ingestelde volgorde van atomaire arrangementen (enthalpische voorkeur). Als we echter een of meer ingrediënten toevoegen, bijvoorbeeld, waardoor het een dubbele of drievoudige, of het toevoegen van spek of ui, dan kan de magische doos alleen de sandwich maken, maar de lagen is elke keer anders.

“Evenzo, wanneer we zeven of meer metalen gebruiken, volgen de metalen geen voorkeur voor bestelling en wordt de echte aandoening (hoge entropie) bereikt. Onze magie hier is thermodynamica en de doos is een oven van hoge temperatuur (1.600 ° C of ongeveer 3.000 ° F).”

Zijn lab-team synthetiseerde voor het eerst bijna 40 bekende en nieuwe nanolayered structuren van max-fasen, het “moedermateriaal” waaruit de MXenen zijn afgeleid, met hun structurele covalente-metaal-covalente carbide-interfaces. Dit was een cruciale stap: al deze max -fasen omzetten in 2D MXenen, vertoonden ze de effecten van orde versus stoornissen op hun oppervlakte -eigenschappen en elektronisch gedrag – in de combinatie van hun potentiële geschiktheid voor een groot aantal toepassingen.

Brian Wyatt, een postdoctorale onderzoeker in het lab van Anasori en de eerste auteur in dit artikel, gelooft in het belang van dit werk voor de algemene wetenschappelijke gemeenschap.

“Deze studie geeft aan dat het bestellen van korte afstand-de opstelling van atomen over een korte afstand van enkele atoomdiameters-in materialen met hoge entropie de impact van entropie versus enthalpie op hun structuren en eigenschappen bepaalt,” zei Wyatt.

“Voor de brede wetenschappelijke gemeenschap vertegenwoordigt dit werk een grote vooruitgang bij het begrijpen van de rol van enthalpie en entropie in de vorming- en order-stoornisovergangen in deze materialen met hoge entropie. Binnen gelaagd keramiek en 2D-materiaalonderzoek breidt dit de families van deze materialen en hun potentiële toepassingen uit.”

Dat sluit nauw aan bij de centrale stuwkracht van het laboratorium van Anasori – om volledig nieuwe MXene -fasen en gerelateerde nanomaterialen te ontdekken die nog nooit eerder hebben bestaan. Het lab onderzoekt hoe de thermodynamica en de kinetiek van reacties om nieuwe structuren met op maat gemaakte eigenschappen te ontwerpen.

Het concentreert zich op het ontwikkelen van materialen die in extreme omgevingen kunnen werken, zoals ultrahoge temperaturen en straling: voorbeelden zijn in het ontwerp van structuren die kunnen interageren met en afschermen van elektromagnetische golven, of die kunnen dienen als zeer efficiënte, ultrathine antennes voor communicatie-technologieën voor de volgende generatie.

“We willen blijven verleggen van de grenzen van wat materialen kunnen doen, vooral in extreme omgevingen waar huidige materialen tekortschieten,” zei Anasori. “Het uiteindelijke doel is om materialen te creëren die beter kunnen presteren dan alles wat momenteel bekend is bij de mensheid in deze veeleisende omstandigheden.

“Of het nu gaat om schone energie, of een langer EV-bereik in extreme koude of extreme hitte in ruimtevaart, of knutsmaterialen die functioneren in de ruimte of diepzee-omstandigheden, ik hoop dat ons werk kan helpen de volgende generatie technologieën mogelijk te maken.”

In die volgende generatie zei hij: “Materials Discovery zal een belangrijke rol spelen, waarbij we nog steeds de ‘waarom niet’ vragen kunnen stellen – bijvoorbeeld ‘waarom niet atomen in een andere vorm of combinatie plaatsen om nieuw materiaal te maken met bepaalde unieke en uitstekende eigenschappen?'”