MXene entschlüsselt: Erster atomarer Blick entsperrt endlose Möglichkeiten

Unter Verwendung der Rastertunnelmikroskopie zeigen Forscher der Drexel University und der UCLA erstmals einen atomaren Blick auf die Oberfläche von 2D-MXene-Materialien. Die Ergebnisse werden dazu beitragen, die einzigartigen Materialien für spezifische Anwendungen anzupassen. Kredit: Drexel University

Fortschrittliche Bildgebungstechniken haben die komplexe Oberflächenchemie von MXenen aufgedeckt, einem vielversprechenden Material für Energie- und Telekommunikationsanwendungen, was potenziell zu maßgeschneiderten Funktionalitäten für spezifische Verwendungen führt.

In den zehn Jahren seit ihrer Entdeckung an der Drexel University hat die MXene-Familie zweidimensionaler Materialien erhebliches Potenzial für Anwendungen gezeigt, die von Wasseraufbereitung und Energiespeicherung bis hin zu elektromagnetischer Abschirmung und Telekommunikation reichen, unter anderem. Während die Ursprünge ihrer Vielseitigkeit von Forschern weitgehend spekuliert wurden, hat eine kürzlich von der Drexel University und der University of California, Los Angeles, durchgeführte Studie erstmals klare Einblicke in die Oberflächenchemiestruktur geliefert, die den Fähigkeiten von MXene zugrunde liegt.

Mit fortschrittlichen Bildgebungstechniken, bekannt als Rastertunnelmikroskopie (STM) und Rastertunnel-Spektroskopie (STS), kartierte das Team, zu dem auch Forscher der California State University Northridge und des Lawrence Berkeley National Laboratory gehören, die elektrochemische Oberflächentopographie des MXen-Titancarbid-MXene - des am meisten untersuchten und weit verbreiteten Mitglieds der Familie. Ihre Ergebnisse, die in der 5. Jubiläumsausgabe des Cell Press-Journals Matter veröffentlicht wurden, werden dazu beitragen, die Vielfalt der Eigenschaften zu erklären, die von den Mitgliedern der MXene-Familie gezeigt werden, und es Forschern ermöglichen, neue Materialien für spezifische Anwendungen anzupassen.

"Ein Großteil des Potenzials von MXenes ergibt sich aus ihrer reichen Oberflächenchemie", sagte Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University und Bach-Professor an der College of Engineering der Drexel University, einer der führenden Autoren der Forschung, dessen Forschungsgruppe an der Entdeckung der Materialien im Jahr 2011 beteiligt war. "Den ersten atomaren Blick auf ihre Oberfläche zu werfen, indem man Rastertunnelmikroskopie verwendet, ist eine aufregende Entwicklung, die neue Möglichkeiten zur Steuerung der Materialeigenschaften bietet und Anwendungen von MXenes in fortgeschrittenen Technologien ermöglicht."

Obwohl MXenes zweidimensionale Materialien sind, wird die Wechselwirkung, die ihren chemischen, elektrochemischen und katalytischen Eigenschaften zugrunde liegt - sei es die ultraschnelle Speicherung elektrischer Energie, die Wasserspaltung zur Wasserstoffproduktion oder die Entfernung von Harnstoff aus dem Blut - durch die Atome initiiert, die ihre Oberflächenschicht bilden.

Frühere Forschungen haben einen Blick auf die chemische Struktur von MXene-Oberflächen mit geringerer Auflösung ermöglicht, wobei Technologien wie Raster-Elektronenmikroskopie (SEM), sekundäre Ionenmassenspektrometrie (SIMS) und Spitzen-verstärkte Raman-Spektroskopie (TERS) verwendet wurden. Diese Techniken bieten indirekte Messungen der Zusammensetzung des Materials, liefern jedoch nur wenig Informationen über die Feinheiten der Oberflächenorganisation.

Rastertunnelmikroskopie und Rastertunnel-Spektroskopie hingegen liefern direktere Informationen über die Form und Zusammensetzung der Oberflächenstruktur eines Materials sowie über dessen Oberflächenchemie und Eigenschaften.

Diese Werkzeuge verwenden eine extrem scharfe Sonde, die empfindlich genug ist, um ein Atom vom anderen zu unterscheiden, während sie über eine flache Oberfläche scannt. Die Spitze der Sonde trägt eine elektrische Ladung, die es ihr ermöglicht, mit jedem Atom zu interagieren, das sie passiert, diese Interaktion - als Quantentunnelung bezeichnet - liefert Informationen über die Atome auf der Oberfläche des Materials. Spektroskopische Scans liefern Informationen über die Oberflächenzusammensetzung auf atomarer und molekularer Ebene. Die Scans werden in Bilder umgewandelt, die topografische Karten der Oberfläche des Materials bilden.

"Mit STM/STS können wir atomare Anordnungen auf der Oberfläche von MXenes erkennen und sogar ihre Leitfähigkeit mit atomarer Auflösung untersuchen", sagte Gogotsi. "Dies ist der Schlüssel zum Verständnis, warum MXenes extreme Eigenschaften haben und andere Materialien bei vielen Anwendungen übertreffen. Es wird uns auch helfen, die Quanteneigenschaften von MXenes zu erforschen und neue Möglichkeiten für diese schnell wachsende Materialfamilie zu identifizieren."

Das Auffinden von Atomgruppen - sogenannten funktionellen Gruppen -, ihre Identifikation und die Messung ihrer Eigenschaften auf der Oberfläche, gegeben ihre spezifische Lage und Befestigung, sind laut den Forschern wichtige Entwicklungen, um zu verstehen, wie MXenes mit anderen Chemikalien und Materialien interagieren.

"Die Oberflächen von MXenen sind chemisch heterogen. Das ist sowohl das, was sie interessant macht, als auch das, was sie schwierig zu untersuchen macht", sagte Paul Weiss, PhD, ein herausragender Professor und UC-Präsidentschaftslehrstuhl an der UCLA, der die Forschung mit Gogotsi leitete. "Wir glauben, dass dies auch der Schlüssel zu ihren erstaunlichen Eigenschaften ist. Wir wissen jedoch noch nicht, welche chemischen Funktionalitäten für welche Anwendungen wichtig sind."