MXeny zdekodowane: Pierwsze widok na poziomie atomowym odblokowuje nieskończone możliwości

Za pomocą mikroskopii tunelowej STM badacze z Uniwersytetu Drexel oraz UCLA zapewniają pierwszy pogląd na atomową skalę powierzchni materiałów 2D MXene. Wyniki pomogą dostosować unikatowe materiały do konkretnych zastosowań. Kredyt: Uniwersytet Drexel

Zaawansowane techniki obrazowania ujawniły złożoną chemię powierzchni MXenes, obiecujących materiałów do zastosowań w energetyce i telekomunikacji, potencjalnie prowadzących do dostosowanych funkcji do określonych zastosowań.

W ciągu dekady od ich odkrycia na Uniwersytecie Drexel, rodzina materiałów dwuwymiarowych MXene wykazała znaczący potencjał zastosowań od odsalania wody i magazynowania energii po osłanianie elektromagnetyczne i telekomunikację, między innymi. Podczas gdy pochodzenie ich wszechstronności było szeroko spekulowane przez badaczy, ostatnie badanie przeprowadzone przez Uniwersytet Drexel oraz Uniwersytet Kalifornijski w Los Angeles, zapewniło pierwszy klarowny wgląd w strukturę chemiczną powierzchni, która stanowi podstawę zdolności MXenes.

Korzystając z zaawansowanych technik obrazowania, znanych jako skaningowa mikroskopia tunelowa (STM) i spektroskopia skaningowa tunelowania (STS), zespół, któremu przewodziło badanie, które obejmuje również badaczy z Uniwersytetu Stanowego Kalifornia Północna, oraz Laboratorium Narodowym Lawrence Berkeley, zmapował elektrochemiczną topografię powierzchni tytanowego karbidu MXene - najbardziej badanego i powszechnie używanego członka rodziny. Ich odkrycia, opublikowane w piątej rocznicy wydania czasopisma Cell Press Matter, pomogą wyjaśnić zakres cech wykazywanych przez członków rodziny MXene i pozwolą badaczom dostosować nowe materiały do konkretnych zastosowań.

„Większość potencjału MXenes wynika z ich bogatej chemii powierzchniowej,” powiedział Yury Gogotsi, doktor nauk technicznych, wybitny profesor uniwersytecki i profesor Bach w Wydziale Inżynierii Drexel, współautor badania, którego grupa badawcza brała udział w odkryciu materiałów w 2011 roku. „Pierwsze spojrzenie na ich powierzchnię na skali atomowej, za pomocą skaningowej mikroskopii tunelowej, to ekscytujący rozwój, który otworzy nowe możliwości kontroli powierzchni materiału i umożliwi zastosowania MXenes w zaawansowanych technologiach.”

Mimo że MXenes to materiały dwuwymiarowe, interakcja, która stanowi podstawę ich właściwości chemicznych, elektrochemicznych i katalizacyjnych - czy to ultra-szybkie przechowywanie energii elektrycznej, rozszczepianie wody dla produkcji wodoru, czy również usuwanie urei z krwi - jest inicjowana przez atomy tworzące ich warstwę powierzchniową.

Poprzednie badania zapewniły mniej dokładne spojrzenie na strukturę chemiczną powierzchni MXene, wykorzystując technologie takie jak skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM), spektrometria mas jonów wtórnych (SIMS) i spektroskopia Ramanowska z wzmocnieniem czubka igły (TERS). Te narzędzia oferują pośrednie odczyty składu materiału, ale dostarczają niewiele informacji na temat złożoności jego organizacji powierzchniowej.

Skaningowa mikroskopia tunelowa i spektroskopia skaningowa tunelowania z kolei dostarczają bardziej bezpośrednich informacji na temat kształtu i składu struktury powierzchni materiału, a także jego chemii powierzchniowej i właściwości.

Te narzędzia wykorzystują niezwykle ostry czujnik, wystarczająco wrażliwy, aby odróżnić jeden atom od drugiego podczas przesuwania się po płaskiej powierzchni. Czoło czujnika niesie ładunek elektryczny, który umożliwia mu oddziaływanie z każdym atomem, gdy go minie, to oddziaływanie - nazywane tunelowaniem kwantowym - dostarcza informacji o atomach na powierzchni materiału. Skany spektroskopowe dostarczają informacji na temat składu powierzchniowego na poziomie atomowym i molekularnym. Skany są przekształcane w obrazy, tworząc mapy topograficzne powierzchni materiału.

„Dzięki STM/STS możemy zobaczyć rozmieszczenie atomów na powierzchni MXenes i nawet zbadać ich przewodnictwo z rozdzielczością atomową,” powiedział Gogotsi. „To klucz do zrozumienia dlaczego MXenes posiadają ekstremalne właściwości i przewyższają inne materiały w wielu zastosowaniach. Powinno to również pomóc nam zbadać właściwości kwantowe MXenes i zidentyfikować nowe możliwości dla tej szybko rozwijającej się rodziny materiałów.”

Zlokalizowanie grup atomów - zwanych grupami funkcyjnymi - ich identyfikacja i pomiar ich właściwości na powierzchni, biorąc pod uwagę ich określone położenie i przyczepienie, to ważne postępy w zrozumieniu, w jaki sposób MXenes oddziałują z innymi substancjami i materiałami, według badaczy.

„Powierzchnie MXene są chemicznie heterogeniczne. To zarówno to, co sprawia, że są interesujące, jak i to, co sprawia, że są trudne do zbadania,” powiedział Paul Weiss, doktor nauk technicznych, wybitny profesor i przewodniczący prezydencki UC w UCLA, który kierował badaniami z Gogotsim. „Uważamy także, że to klucz do ich niesamowitych właściwości. Nie wiemy jednak jeszcze, które funkcje chemiczne są ważne w konkretnych zastosowaniach.”