Wetenschappers ontdekken een gemakkelijke manier om atomair dunne metaallagen te maken voor nieuwe technologie

Het geheim van een perfecte croissant zijn de lagen – zoveel mogelijk, elk afgewisseld met boter. Op dezelfde manier wordt een nieuw materiaal met belofte voor nieuwe toepassingen gemaakt van vele extreem dunne lagen metaal, waar wetenschappers verschillende ionen voor verschillende doeleinden tussen kunnen laten glijden. Dit maakt ze in potentie zeer bruikbaar voor toekomstige hightech elektronica of energieopslag.

Tot voor kort waren deze materialen – bekend als MXenes, uitgesproken als “max-eens” – net zo arbeidsintensief als goede croissants gemaakt in een Franse bakkerij.

Maar een nieuwe doorbraak door wetenschappers van de Universiteit van Chicago laat zien hoe deze MXenen veel sneller en gemakkelijker kunnen worden gemaakt, met minder giftige bijproducten.

Onderzoekers hopen dat de ontdekking, gepubliceerd op 23 maart in Wetenschapzal nieuwe innovatie stimuleren en de weg vrijmaken voor het gebruik van MXenes in alledaagse elektronica en apparaten.

Atoom economie

Toen ze in 2011 werden ontdekt, maakte MXenes veel wetenschappers erg enthousiast. Wanneer je een metaal zoals goud of titanium scheert om atoomdunne platen te maken, gedraagt ​​het zich meestal niet meer als een metaal. Maar door ongewoon sterke chemische bindingen in MXenes kunnen ze de speciale eigenschappen van metaal behouden, zoals het sterk geleiden van elektriciteit.

Ze zijn ook gemakkelijk aanpasbaar: “Je kunt ionen tussen de lagen plaatsen om ze bijvoorbeeld te gebruiken om energie op te slaan”, zegt scheikundestudent Di Wang, co-eerste auteur van het artikel samen met postdoctoraal wetenschapper Chenkun Zhou.

Al deze voordelen kunnen MXenes uiterst nuttig maken voor het bouwen van nieuwe apparaten, bijvoorbeeld om elektriciteit op te slaan of elektromagnetische golfinterferentie te blokkeren.

De enige manier die we kenden om MXenes te maken, omvatte echter verschillende intensieve chemische engineeringstappen, waaronder het verwarmen van het mengsel tot 3000 ° F gevolgd door een bad in fluorwaterstofzuur.

“Dit is prima als je een paar gram maakt voor experimenten in het laboratorium, maar als je grote hoeveelheden wilt maken voor gebruik in commerciële producten, zou het een groot probleem worden bij het verwijderen van bijtend afval”, legt Dmitri Talapin, de Ernest DeWitt, uit. Burton Distinguished Service Professor of Chemistry aan de Universiteit van Chicago, medeaangestelde bij Argonne National Laboratory en de corresponderende auteur op het papier.

Om een ​​efficiëntere en minder giftige methode te ontwerpen, gebruikte het team de principes van de chemie, in het bijzonder “atoomeconomie”, die probeert het aantal verspilde atomen tijdens een reactie te minimaliseren.

Het UChicago-team ontdekte nieuwe chemische reacties waarmee wetenschappers MXenen kunnen maken van eenvoudige en goedkope voorlopers, zonder het gebruik van fluorwaterstofzuur. Het bestaat uit slechts één stap: het mengen van verschillende chemicaliën met het metaal waarvan je lagen wilt maken, en het mengsel vervolgens verhitten tot 1700°F. “Dan maak je het open en daar zijn ze,” zei Wang.

De eenvoudigere, minder giftige methode opent nieuwe wegen voor wetenschappers om nieuwe varianten van MXenen te creëren en te onderzoeken voor verschillende toepassingen, zoals verschillende metaallegeringen of verschillende ionaroma’s. Het team testte de methode met titanium en zirkoniummetalen, maar ze denken dat de techniek ook voor veel andere verschillende combinaties kan worden gebruikt.

“Deze nieuwe MXenes zijn ook visueel mooi”, voegde Wang eraan toe. “Ze staan ​​​​als bloemen, waardoor ze misschien zelfs beter reageren, omdat de randen zichtbaar zijn en toegankelijk zijn voor ionen en moleculen om tussen de metaallagen te bewegen.”

Afgestudeerde student Wooje Cho was ook co-auteur van de krant. De verkenning werd mogelijk gemaakt door de hulp van UChicago-collega’s van verschillende afdelingen, waaronder theoretisch chemicus Suri Vaikuntanathan, directeur van röntgenonderzoeksfaciliteit Alexander Filatov, en elektrochemici Chong Liu en Mingzhan Wang van de Pritzker School of Molecular Engineering. Elektronenmicroscopie werd uitgevoerd door Robert Klie en Francisco Lagunas met de University of Illinois Chicago.