MXenes Décodés: Première Vue à l'Échelle Atomique Déverrouille des Possibilités Infinies

En utilisant la microscopie à effet tunnel, des chercheurs de l'Université Drexel et de l'UCLA fournissent la première image à l'échelle atomique de la surface des matériaux MXene en 2D. Les résultats aideront à adapter ces matériaux uniques à des applications spécifiques. Crédit : Université Drexel

Les techniques d'imagerie avancées ont révélé la chimie de surface complexe des MXenes, un matériau prometteur pour les applications énergétiques et de télécommunications, pouvant ainsi conduire à des fonctionnalités personnalisées pour des utilisations spécifiques.

Depuis leur découverte il y a une décennie à l'Université Drexel, la famille des MXenes de matériaux bidimensionnels a démontré un potentiel significatif pour des applications allant de la désalinisation de l'eau et du stockage d'énergie au blindage électromagnétique et aux télécommunications, entre autres. Bien que les origines de leur polyvalence aient été largement spéculées par les chercheurs, une étude récente menée par l'Université Drexel et l'Université de Californie à Los Angeles a offert un premier aperçu clair de la structure chimique de surface qui sous-tend les capacités des MXenes.

En utilisant des techniques d'imagerie avancées, appelées microscopie à effet tunnel (STM) et spectroscopie à effet tunnel (STS), l'équipe, comprenant également des chercheurs de la California State University Northridge et du Lawrence Berkeley National Laboratory, a cartographié la topographie électrochimique de surface du MXene de carbure de titane — le membre le plus étudié et le plus utilisé de la famille. Leurs découvertes, publiées dans le numéro anniversaire de la 5e année du journal Cell Press Matter, permettront d'expliquer la gamme de propriétés présentées par les membres de la famille des MXenes et de permettre aux chercheurs de concevoir de nouveaux matériaux pour des applications spécifiques.

“Une grande partie du potentiel des MXenes découle de leur riche chimie de surface”, a déclaré Yury Gogotsi, PhD, professeur distingué à l'Université Drexel, professeur Bach au College of Engineering, co-auteur de la recherche, dont le groupe de recherche a participé à leur découverte en 2011. "Obtenir le premier aperçu à l'échelle atomique de leur surface, en utilisant la microscopie à effet tunnel, est un développement passionnant qui ouvrira de nouvelles possibilités pour contrôler la surface du matériau et permettre des applications des MXenes dans les technologies avancées.”

Malgré le fait que les MXenes sont des matériaux bidimensionnels, l'interaction qui est à la base de leurs propriétés chimiques, électrochimiques et catalytiques — que ce soit pour le stockage ultra-rapide de l'énergie électrique, la dissociation de l'eau pour produire de l'hydrogène ou l'extraction de l'urée du sang — est initiée par les atomes formant leur couche de surface.

Des recherches antérieures ont offert un aperçu à résolution inférieure de la structure chimique des surfaces des MXenes, en utilisant des technologies telles que la microscopie électronique à balayage (SEM), la spectrométrie de masse aux ions secondaires (SIMS) et la spectroscopie Raman à pointe améliorée (TERS). Ces outils offrent des lectures indirectes de la composition du matériau, mais ne fournissent que peu d'informations sur les subtilités de son organisation de surface.

La microscopie à effet tunnel et la spectroscopie à effet tunnel, en revanche, fournissent des informations plus directes sur la forme et la composition de la structure de surface d'un matériau, ainsi que sur sa chimie de surface et ses propriétés.

Ces outils utilisent une sonde extrêmement pointue, suffisamment sensible pour distinguer un atome d'un autre en balayant une surface plane. La pointe de la sonde porte une charge électrique qui lui permet d'interagir avec chaque atome lors de son passage, cette interaction - appelée effet tunnel quantique - fournit des informations sur les atomes à la surface du matériau. Les balayages spectroscopiques fournissent des informations sur la composition de surface aux niveaux atomique et moléculaire. Les balayages sont convertis en images, formant des cartes topographiques de la surface du matériau.

Avec STM/STS, nous pouvons voir les agencements atomiques à la surface des MXenes et étudier même leur conductance avec une résolution atomique,” a déclaré Gogotsi. "Ceci est la clé pour comprendre pourquoi les MXenes ont des propriétés extrêmes et surpassent d'autres matériaux dans de nombreuses applications. Cela devrait également nous aider à explorer les propriétés quantiques des MXenes et à identifier de nouvelles opportunités pour cette famille de matériaux en expansion rapide.”

Localiser des groupes d'atomes - appelés groupes fonctionnels - les identifier et mesurer leurs propriétés à la surface, compte tenu de leur emplacement spécifique et de leur liaison, sont tous des développements importants pour comprendre comment les MXenes interagissent avec d'autres produits chimiques et matériaux, selon les chercheurs.

“Les surfaces des MXenes sont chimiquement hétérogènes. C'est ce qui les rend à la fois intéressants et difficiles à étudier,” a déclaré Paul Weiss, PhD, professeur distingué et titulaire de la chaire présidentielle UC à UCLA qui a dirigé la recherche avec Gogotsi. "Nous croyons que c'est également la clé de leurs propriétés étonnantes. Cependant, nous ne savons pas encore quelles fonctionnalités chimiques sont importantes pour quelles applications."

Le STM/STS du groupe a montré des caractéristiques de 10 nanomètres à la surface du MXène, probablement des grappes d'oxyde de titane, ainsi que de plus petites saillies, disposées selon une symétrie hexagonale déformée, qu'ils ont jugées être des groupes fonctionnels, qu'ils ont ensuite identifiés chimiquement.

Les résultats de cette recherche sont cohérents avec les théories précédentes, la microscopie à plus basse résolution et les données spectrales sur la surface des MXènes de carbure de titane, y compris la prédiction selon laquelle leur surface est métallique. Cependant, examiner de plus près les défauts de surface et la nature de leur hétérogénéité est une étape importante pour comprendre comment ils affectent le comportement du matériau, selon l'équipe.

« Dans ce travail, nous avons commencé à tirer sur les fils. Nous avons pu imaginer et commencer à attribuer certaines fonctionnalités chimiques », a déclaré Weiss. « Un des aspects les plus intéressants inconnus des MXènes est le rôle que jouent leurs défauts et leur hétérogénéité dans leur fonction et leur stabilité environnementale. Nous avons maintenant un moyen d'explorer ces rôles. »

S'appuyant sur l'expertise collective des scientifiques des matériaux de Drexel, des groupes STM à l'UCLA et au Lawrence Berkley National Laboratory, ainsi que des scientifiques théoriques de la Cal State Northridge, le groupe poursuivra son analyse rigoureuse des matériaux tout en établissant un processus pour moduler leur composition chimique afin d'ajuster leur fonctionnalité pour différentes utilisations.