MXenes avkodade: Första atomnivåvisning låser upp oändliga möjligheter

Med hjälp av skanningstunnelmikroskopi ger forskare vid Drexel University och UCLA den första atomskaliga titten på ytan av 2D MXene-material. Resultaten kommer att hjälpa till att skräddarsy de unika materialen för specifika applikationer. Kredit: Drexel University

Avancerade bildtekniker har avslöjat den komplexa ytkemin hos MXenes, ett lovande material för energi- och telekommunikationstillämpningar, vilket potentiellt leder till skräddarsydda funktioner för specifika användningar.

Under decenniet sedan deras upptäckt vid Drexel University har MXene-familjen av tvådimensionella material visat betydande potential för tillämpningar som sträcker sig från vattenavsaltning och energilagring till elektromagnetisk skärmning och telekommunikation, bland annat. Medan ursprunget till deras mångsidighet har spekulerats i stor omfattning av forskare, har en nyligen genomförd studie ledd av Drexel University och University of California, Los Angeles, erbjudit den första tydliga insikten om den ytkemiska strukturen som ligger till grund för MXenes kapacitet.

Med hjälp av avancerad avbildningsteknik, känd som scanning tunneling microscopy (STM) och scanning tunneling spectroscopy (STS), kartlade teamet, som även inkluderar forskare från California State University Northridge och Lawrence Berkeley National Laboratory, den elektrokemiska yttopografin hos titankarbiden MXene — den mest studerade och mest använda medlemmen av familjen. Deras resultat, publicerade i 5-årsjubileumsnumret av Cell Press-tidskriften Matter, kommer att hjälpa till att förklara utbudet av egenskaper som uppvisas av medlemmar i MXene-familjen och tillåta forskare att skräddarsy nya material för specifika tillämpningar.

"Mycket av MXenes potentiella resultat från deras rika ytkemi," sa Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University och Bach-professor vid Drexel's College of Engineering, en huvudförfattare till forskningen, vars forskargrupp deltog i materialets upptäckt 2011. "Att få den första atomskaliga titten på deras yta, med hjälp av skanningstunnelmikroskopi, är en spännande utveckling som kommer att öppna nya möjligheter för att kontrollera materialytan och möjliggöra tillämpningar av MXenes i avancerad teknologi."

Även om MXener är tvådimensionella material, initieras interaktionen som är grunden för deras kemiska, elektrokemiska och katalytiska egenskaper - oavsett om det är ultrasnabb lagring av elektrisk energi, klyvning av vatten för att producera väte eller skumning av urea ur blod - av atomerna som bildar deras ytskikt.

Tidigare forskning har gett en titt på den kemiska strukturen hos MXene-ytor med lägre upplösning, med hjälp av teknik som svepelektronmikroskopi (SEM), sekundär jonmasspektroskopi (SIMS) och spetsförstärkt Ramanspektroskopi (TERS). Dessa verktyg erbjuder indirekta avläsningar av materialets sammansättning, men ger lite information om krångligheterna i dess ytorganisation.

Skannande tunnelmikroskopi och scanningstunnelspektroskopi ger däremot mer direkt information om formen och sammansättningen av ett material ytstruktur, såväl som dess ytkemi och egenskaper.

Dessa verktyg använder en extremt vass sond, känslig nog för att skilja en atom från en annan när den skannar över en plan yta. Spetsen på sonden bär en elektrisk laddning som gör att den kan interagera med varje atom när den passerar förbi, denna interaktion - kallad kvanttunnelering - ger information om atomerna på materialets yta. Spektroskopiska skanningar ger information om ytsammansättning på atom- och molekylnivå. Skanningarna omvandlas till bilder och bildar topografiska kartor över materialets yta.

"Med STM/STS kan vi se atomarrangemang på MXenes yta och till och med studera deras konduktans med atomupplösning," sa Gogotsi. "Detta är nyckeln till att förstå varför MXenes har extrema egenskaper och överträffar andra material i många applikationer. Det borde också hjälpa oss att utforska kvantegenskaper hos MXenes och identifiera nya möjligheter för denna snabbt växande familj av material."

Att lokalisera grupper av atomer - så kallade funktionella grupper - som identifierar dem och mäter deras egenskaper på ytan, med tanke på deras specifika placering och fäste, är alla viktiga utvecklingar för att förstå hur MXener interagerar med andra kemikalier och material, enligt forskarna.

"MXene-ytorna är kemiskt heterogena. Det är både det som gör dem intressanta och det som gör dem svåra att studera, säger Paul Weiss, PhD, en framstående professor och UC:s ordförande vid UCLA som ledde forskningen tillsammans med Gogotsi. "Vi tror att det också är nyckeln till deras fantastiska egenskaper. Men vi vet ännu inte vilka kemiska funktioner som är viktiga för vilka tillämpningar.”