MXenes ontcijferd: Eerste atomaire niveau weergave ontsluit eindeloze mogelijkheden

Met behulp van scanning tunnelmicroscopie bieden onderzoekers van Drexel University en UCLA voor het eerst een atomaire blik op het oppervlak van 2D MXeen-materialen. De bevindingen zullen helpen om de unieke materialen aan te passen voor specifieke toepassingen. Credit: Drexel University

Geavanceerde beeldvormingstechnieken hebben de complexe oppervlaktechemie van MXenes onthuld, een veelbelovend materiaal voor energie- en telecommunicatietoepassingen, wat mogelijk leidt tot aangepaste functionaliteiten voor specifiek gebruik.

In het decennium sinds hun ontdekking aan de Drexel University heeft de MXene-familie van tweedimensionale materialen aanzienlijk potentieel laten zien voor toepassingen variërend van waterontzilting en energieopslag tot elektromagnetische afscherming en telecommunicatie, onder andere. Hoewel de oorsprong van hun veelzijdigheid veelvuldig is gespeculeerd door onderzoekers, heeft een recente studie onder leiding van Drexel University en de Universiteit van Californië, Los Angeles, het eerste duidelijke inzicht geboden in de oppervlaktechemische structuur die ten grondslag ligt aan de capaciteiten van MXenes.

Met behulp van geavanceerde beeldvormingstechnieken, bekend als scanning tunnelmicroscopie (STM) en scanning tunnel-spectroscopie (STS), heeft het team, dat ook onderzoekers van California State University Northridge en Lawrence Berkeley National Laboratory omvat, de elektrochemische oppervlaktetopografie van de titaancarbide MXene in kaart gebracht - het meest bestudeerde en veelgebruikte lid van de familie. Hun bevindingen, gepubliceerd in de jubileumeditie van het Cell Press-tijdschrift Matter, zullen helpen om het scala aan eigenschappen die door leden van de MXene-familie worden tentoongesteld te verklaren en onderzoekers in staat te stellen nieuwe materialen aan te passen voor specifieke toepassingen.

"Veel van het potentieel van MXenes komt voort uit hun rijke oppervlaktechemie," zei Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University and Bach professor in Drexel's College of Engineering, een hoofdauteur van het onderzoek, wiens onderzoeksgroep deelnam aan de ontdekking van de materialen in 2011. "De eerste atomaire blik werpen op hun oppervlakte, met behulp van scanning tunnelmicroscopie, is een spannende ontwikkeling die nieuwe mogelijkheden zal openen voor het controleren van het oppervlaktemateriaal en het mogelijk maken van toepassingen van MXenes in geavanceerde technologieën."

Hoewel MXenes tweedimensionale materialen zijn, wordt de interactie die aan de basis ligt van hun chemische, elektrochemische en katalytische eigenschappen - of het nu gaat om ultrasnelle opslag van elektrische energie, het splitsen van water om waterstof te produceren, of ureum uit bloed te zuiveren - geïnitieerd door de atomen die hun oppervlaktelaag vormen.

Eerdere onderzoeken hebben een lager-resolutie blik geworpen op de chemische structuur van MXene-oppervlakken, met behulp van technologieën zoals scanning-elektronenmicroscopie (SEM), secundaire ionenmassaspectrometrie (SIMS) en tip-versterkte Raman-spectroscopie (TERS). Deze hulpmiddelen bieden indirecte metingen van de samenstelling van het materiaal, maar geven weinig informatie over de complexiteit van de oppervlakte-organisatie.

Scanning tunnelmicroscopie en scanning tunnel-spectroscopie daarentegen bieden meer directe informatie over de vorm en samenstelling van de oppervlaktestructuur van een materiaal, evenals de oppervlaktechemie en eigenschappen ervan.

Deze hulpmiddelen gebruiken een uiterst scherpe sonde, gevoelig genoeg om het ene atoom van het andere te onderscheiden terwijl het over een vlak oppervlak scant. De punt van de sonde draagt een elektrische lading waardoor het kan interageren met elk atoom terwijl het er langs gaat, deze interactie - genaamd kwantumtunneling - geeft informatie over de atomen aan het oppervlak van het materiaal. Spectroscopische scans bieden informatie over de oppervlaktesamenstelling op atomaire en moleculaire niveaus. De scans worden omgezet in beelden, waarbij topografische kaarten van het oppervlak van het materiaal worden gevormd.

"Met STM / STS kunnen we atoomrangschikkingen op het oppervlak van MXenes zien en zelfs hun geleidbaarheid bestuderen met atomaire resolutie," zei Gogotsi. "Dit is de sleutel tot het begrijpen waarom MXenes extreme eigenschappen hebben en andere materialen overtreffen in veel toepassingen. Het zou ons ook moeten helpen om de kwanteumeigenschappen van MXenes te verkennen en nieuwe mogelijkheden te identificeren voor deze snel uitbreidende materialenfamilie."

Het lokaliseren van groepen atomen - functionele groepen genoemd - ze identificeren en hun eigenschappen meten op het oppervlak, gegeven hun specifieke locatie en hechting, zijn allemaal belangrijke ontwikkelingen om te begrijpen hoe MXenes interacteren met andere chemicaliën en materialen, volgens de onderzoekers.

"De MXene-oppervlakken zijn chemisch heterogeen. Dat is zowel wat hen interessant maakt als wat hen moeilijk maakt om te bestuderen," zei Paul Weiss, PhD, een vooraanstaand hoogleraar en UC Presidential chair aan UCLA die het onderzoek leidde met Gogotsi. "We geloven dat dit ook essentieel is voor hun verbazingwekkende eigenschappen. We weten echter nog niet welke chemische functionaliteiten belangrijk zijn voor welke toepassingen."

De STM/STS-beeldvorming van de groep toonde 10-nanometer kenmerken op het oppervlak van het MXeen, waarschijnlijk titaniumoxideclusters, en kleinere uitsteeksels die gerangschikt waren in een vervormde hexagonale symmetrie, die zij beschouwden als functionele groepen die zij vervolgens chemisch identificeerden.

De resultaten van dit onderzoek waren in overeenstemming met eerdere theorieën, lagere-resolutie microscopie en spectrale gegevens over het oppervlak van titaniumcarbide-MXeen, inclusief de voorspelling dat hun oppervlak metaalachtig is. Het is echter belangrijk om een nauwkeuriger blik te werpen op de oppervlaktedefecten en de aard van de heterogeniteit om te begrijpen hoe ze het gedrag van het materiaal beïnvloeden, aldus het team.

"In dit werk begonnen we aan de touwtjes te trekken. We waren in staat om beelden te maken en om een deel van de chemische functionaliteit toe te wijzen," zei Weiss. "Een van de meest interessante onbekende aspecten van MXenen is welke rol hun defecten en heterogeniteit spelen in hun functie en milieu-stabiliteit. We hebben nu onze voet tussen de deur om deze rollen te verkennen."