Zijn MXenes de toekomst van nanotechnologie?

Kunstnieren, krachtige batterijen en efficiënte waterzuivering zijn enkele van de toekomstige toepassingen van een groep ultradunne materialen die bekend staat als MXenen. Deze mening wordt uitgedrukt in een artikel in het tijdschrift Wetenschap, waarvan de auteurs er een zijn van de Universiteit van Linköping.

Materialen met een doorsnede zo dun als een of enkele lagen atomen hebben door hun dikte ongebruikelijke eigenschappen. Deze eigenschappen kunnen een hoge elektrische geleidbaarheid zijn, een hoge sterkte of een vermogen om hitte te weerstaan, waardoor ultradunne materialen een groot potentieel hebben voor gebruik in toekomstige technologie. Het meest bekende materiaal is grafeen en de jacht op andere ultradunne materialen, ook wel tweedimensionale materialen genoemd, is sinds de ontdekking in intensiteit toegenomen.

Grafeen en vele andere tweedimensionale materialen zijn ofwel halfgeleiders, halfmetalen of gepolariseerde isolatoren. Het ontbreken van een ultradunne metalen geleider is een obstakel bij de ontwikkeling van componenten die uitsluitend zijn gebaseerd op tweedimensionale materialen.

In 2011 werd een nieuwe groep ultradunne materialen ontdekt, die de naam MXenes kregen. Ze bestaan ​​uit een metaal in combinatie met koolstof- of stikstofatomen. MXenen vullen andere ultradunne materialen aan doordat ze metalen geleiders zijn en openen de deur naar volledig nieuwe toepassingen op nanometerschaal.

Johanna Rosén, professor in de afdeling Natuurkunde, Scheikunde en Biologie aan de Universiteit van Linköping, heeft samen met collega’s van de Drexel Universiteit in de VS een artikel in Science geschreven over de toekomst van MXenes en de invloed die ze naar verwachting zullen hebben.

“Er zijn veel toepassingen denkbaar. De twee die het dichtst bij realisatie zijn, zijn efficiënte energieopslag, in de vorm van batterijen en supercondensatoren, en afscherming van elektromagnetische interferentie. Maar op de lange termijn kunnen we filters maken voor lucht- en waterzuivering , antennes voor de volgende generatie communicatie en vele andere toepassingen waar we nog niet aan hebben gedacht”, zegt Johanna Rosén.

Bovendien zijn veel MXenen biocompatibel (compatibel met levend weefsel), niet-toxisch en milieuvriendelijk, wat betekent dat ze worden bestudeerd voor mogelijke toepassingen in de biogeneeskunde. Een dergelijke toepassing is de vorming van kunstnieren, waardoor dialysebehandeling (of andere behandelingen waarvoor geen dialysemachines beschikbaar zijn) overbodig zou zijn.

De eerste MXene die werd ontdekt, was titaniumcarbide, Ti₃C₂. Nu, tien jaar later, zijn er ongeveer 50 verschillende MXenen ontwikkeld, waarvan vele aan de Universiteit van Linköping. De methoden die worden gebruikt om ze te produceren, betekenen echter dat de beschikbare combinaties bijna oneindig zijn. Dit betekent dat er op de lange termijn duizenden MXenen kunnen zijn met verschillende op maat gemaakte eigenschappen.

“MXenen werden pas tien jaar geleden ontdekt en het onderzoeksveld om ze te bestuderen is extreem snel gegroeid. Er worden nu ongeveer 6.600 wetenschappelijke artikelen per jaar gepubliceerd. Maar er zijn nog veel eigenschappen en toepassingen die nog ontdekt moeten worden, en dat kan veel oplossen hedendaagse uitdagingen binnen zowel technologie als geneeskunde”, zegt Johanna Rosén.