Das Geheimnis eines perfekten Croissants sind die Schichten – so viele wie möglich, jede mit Butter durchsetzt. In ähnlicher Weise besteht ein neues Material, das für neue Anwendungen vielversprechend ist, aus vielen extrem dünnen Metallschichten, zwischen denen Wissenschaftler verschiedene Ionen für verschiedene Zwecke einschleusen können. Dies macht sie potenziell sehr nützlich für zukünftige Hightech-Elektronik oder Energiespeicherung.
Bis vor kurzem waren diese Materialien – bekannt als MXenes, ausgesprochen „max-eens“ – so arbeitsintensiv wie gute Croissants, die in einer französischen Bäckerei hergestellt werden.
Aber ein neuer Durchbruch von Wissenschaftlern der University of Chicago zeigt, wie man diese MXene viel schneller und einfacher mit weniger toxischen Nebenprodukten herstellen kann.
Forscher hoffen auf die Entdeckung, veröffentlicht am 23. März in Wissenschaftwird neue Innovationen vorantreiben und den Weg zur Verwendung von MXenes in alltäglichen Elektronikgeräten und Geräten ebnen.
Atomwirtschaft
Als sie 2011 entdeckt wurden, haben MXene viele Wissenschaftler sehr aufgeregt. Wenn Sie ein Metall wie Gold oder Titan rasieren, um atomar dünne Schichten zu erzeugen, verhält es sich normalerweise nicht mehr wie ein Metall. Aber ungewöhnlich starke chemische Bindungen in MXenes ermöglichen es ihnen, die besonderen Fähigkeiten von Metall beizubehalten, wie zum Beispiel Elektrizität stark zu leiten.
Sie sind auch leicht anpassbar: „Man kann Ionen zwischen die Schichten bringen, um sie zum Beispiel zum Speichern von Energie zu verwenden“, sagte der Chemie-Doktorand Di Wang, Co-Erstautor der Arbeit zusammen mit dem Postdoktoranden Chenkun Zhou.
All diese Vorteile könnten MXenes für den Bau neuer Geräte äußerst nützlich machen – zum Beispiel zum Speichern von Elektrizität oder zum Blockieren von Interferenzen durch elektromagnetische Wellen.
Der einzige Weg, den wir kannten, um MXene herzustellen, bestand jedoch aus mehreren intensiven chemischen Verfahrensschritten, darunter das Erhitzen der Mischung auf 3.000 °F, gefolgt von einem Bad in Flusssäure.
„Das ist in Ordnung, wenn Sie ein paar Gramm für Experimente im Labor herstellen, aber wenn Sie große Mengen zur Verwendung in kommerziellen Produkten herstellen möchten, würde dies zu einem großen Problem bei der Entsorgung von korrosivem Abfall“, erklärte Dmitri Talapin, der Ernest DeWitt Burton Distinguished Service Professor of Chemistry an der University of Chicago, gemeinsamer Beauftragter am Argonne National Laboratory und korrespondierender Autor des Artikels.
Um eine effizientere und weniger toxische Methode zu entwickeln, nutzte das Team die Prinzipien der Chemie – insbesondere der „Atomökonomie“, die versucht, die Anzahl der verschwendeten Atome während einer Reaktion zu minimieren.
Das UChicago-Team entdeckte neue chemische Reaktionen, die es Wissenschaftlern ermöglichen, MXene aus einfachen und kostengünstigen Vorläufern ohne die Verwendung von Flusssäure herzustellen. Es besteht aus nur einem Schritt: Mischen mehrerer Chemikalien mit dem Metall, aus dem Sie Schichten herstellen möchten, und Erhitzen der Mischung auf 1.700 ° F. „Dann öffnest du es und da sind sie“, sagte Wang.
Die einfachere, weniger toxische Methode eröffnet Wissenschaftlern neue Wege zur Entwicklung und Erforschung neuer Sorten von MXenen für verschiedene Anwendungen – wie z. B. verschiedene Metalllegierungen oder verschiedene Ionenaromen. Das Team testete die Methode mit Titan- und Zirkoniummetallen, aber sie glauben, dass die Technik auch für viele andere verschiedene Kombinationen verwendet werden kann.
„Diese neuen MXenes sind auch optisch schön“, fügte Wang hinzu. „Sie stehen wie Blumen auf – was sie vielleicht sogar besser für Reaktionen macht, weil die Kanten freigelegt und für Ionen und Moleküle zugänglich sind, um sich zwischen den Metallschichten zu bewegen.“
Der Doktorand Wooje Cho war auch Co-Autor des Papiers. Die Exploration wurde durch die Hilfe von UChicago-Kollegen aus allen Abteilungen ermöglicht, darunter der theoretische Chemiker Suri Vaikuntanathan, der Direktor der Röntgenforschungseinrichtung Alexander Filatov und die Elektrochemiker Chong Liu und Mingzhan Wang von der Pritzker School of Molecular Engineering. Elektronenmikroskopie wurde von Robert Klie und Francisco Lagunas an der University of Illinois Chicago durchgeführt.
Mehr Informationen:
Di Wang et al., Direkte Synthese und chemische Gasphasenabscheidung von 2D-Carbid- und Nitrid-MXenen, Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.add9204
Daniel D. Robertson et al, Ein direkter und sauberer Weg zu MXenes, Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.ade9914