Onderzoeksteam onderzoekt het potentieel van MXenen voor nanotechtoepassingen

Materiaalwetenschappers van de Universiteit van Nebraska-Lincoln onderzoeken de fysieke eigenschappen van MXenes, een snelgroeiende familie van tweedimensionale materialen met het potentieel voor veel nanotechnologietoepassingen.

Het werk van het team bouwt voort op ongeveer twintig jaar onderzoek naar grafenen, een andere familie van 2D-materialen met belangrijke toepassingen in veel domeinen, maar die enkele tekortkomingen vertonen in vergelijking met MXenen (uitgesproken als “maxenen”). Het meest recente onderzoek van het team is gepubliceerd in het journaal Materie.

MXenen zijn gemaakt van atomair dunne lagen overgangsmetaalcarbiden, nitriden of carbonitriden. Ze vinden hun oorsprong in wat de MAX-fase wordt genoemd, waarvan de naam de kenmerkende componenten beschrijft: de ‘M’, een overgangsmetaal zoals titanium of chroom; een “A”-element zoals aluminium; en de “X”, die koolstof- of stikstofatomen voorstelt. De componenten zijn verpakt in een gelaagde structuur. Om MXenen te synthetiseren hebben scheikundigen zure oplossingen gebruikt om de lagen van de ‘A’-elementen weg te etsen, terwijl de andere lagen intact bleven – een relatief eenvoudige techniek met hoog rendement.

Er zijn enkele tientallen MXenen met verschillende combinaties van “M”- en “X”-elementen gesynthetiseerd. Het team uit Nebraska heeft zich geconcentreerd op een weinig bestudeerde versie die chroom-, titanium- en koolstofatomen bevat, zegt Alexander Sinitskii, hoogleraar scheikunde en hoofdonderzoeker.

“Het veld groeit snel”, zei Sinitskii.

MXenen zijn nuttig gebleken bij het opslaan van energie, het zuiveren van water, het beschermen tegen elektromagnetische interferentie, biomedische toepassingen en meer.

De sleutels tot hun bruikbaarheid zijn hun chemische en structurele diversiteit, evenals hun schaalbaarheid en verwerkbaarheid, zei Sinitskii, die ook verbonden is aan het Nebraska Center for Materials and Nanoscience.

MXenes hebben een groot oppervlak en zijn gemakkelijk af te stemmen. Ze reageren ook sterk op licht en zijn hydrofiel (aangetrokken door water) vanwege hun zuurstof- en hydroxyl-eindstandige oppervlakken.

Het team van Sinitskii heeft ontdekt dat het MXene dat chroom en titanium bevat, “een bepaalde reeks eigenschappen heeft die bij andere niet voorkomen.” Eerder onderzoek door het Nebraska-team naar andere MXene-materialen onthulde hun n-type (elektronenrijke) karakter en verminderde geleidbaarheid als reactie op licht. Het nieuwe materiaal is daarentegen het eerste MXene met aangetoonde p-type (elektron-deficiënte) eigenschappen en toenemende geleidbaarheid onder verlichting.

“Dit zijn zeer ongebruikelijke kenmerken voor MXenen”, zei Sinitskii. “In veel elektronische toepassingen zijn zowel n- als p-type materialen vereist en worden ze in combinatie gebruikt. Eerder bestudeerde MXenen waren allemaal n-type, maar nu demonstreren we het eerste p-type MXene. Dit zou complexe structuren mogelijk moeten maken waar complementaire MXenen aanwezig zijn.” samen gebruikt om nieuwe elektronische functionaliteiten te realiseren.”

Zijn team is er ook in geslaagd grotere, uniformere vlokken van het chroom/titaniumcarbide MXene te produceren dan voorheen beschikbaar was, waardoor ze gemakkelijker te onderzoeken en te gebruiken zijn.

Andere auteurs zijn Saman Bagheri, postdoctoraal onderzoeksmedewerker scheikunde; Michael J. Loes, afgestudeerde student scheikunde; Haidong Lu, wetenschappelijk assistent-professor natuurkunde en astronomie; Rashmeet Khurana, afgestudeerde student scheikunde; Md. Ibrahim Kholil, afgestudeerde student scheikunde; en Alexei Gruverman, Mach-hoogleraar natuurkunde en astronomie. Co-auteurs, allen van de South Dakota School of Mines and Technology, zijn Alexey Lipatov, Khimananda Acharya en Tula R. Paudel.