Jönnek az MXének, a jövő anyagai

A Drexel Egyetemen kifejlesztett új nanoanyag, az MXén

A kétdimenziós, néhány atomi rétegből álló anyagok jó eséllyel kulcsszerepet játszanak majd a jövő elemeiben, antennáiban, szigetelőiben és adattárolóiban.

Aki nem hallott még az MXénekről, ne nagyon szégyellje magát: a tudósokon kívül, akik e sajátos „kétdimenziós" – csupán néhány atom vastagságú – anyagokkal foglalkoznak, egyelőre nem sokan találkozhattak velük. Pedig pár évtized múlva valószínűleg tele lesz velük a világ, ugyanis számos szupertulajdonsággal rendelkeznek: rendkívül ellenállóak, miközben remekül vezetnek, árnyékolják az elektromágneses mezőket, használhatók gázszenzorokban, alkalmasak a tengervíz sótalanítására, csapdába ejtik a hidrogént, és még ki tudja, mi mindenre jók. Ezért aztán szép esélyük van arra, hogy fontos szerep jusson nekik a jövő energiatárolásában, vezeték nélküli kommunikációjában és testre applikálható eszközeiben. Mielőtt azonban széles körű alkalmazásukra sor kerülne, a kutatóknak először meg kell érteniük, hogyan teszik az MXének, amit tesznek, és milyen tervezési trükkök révén tehetnék ugyanazt még jobban.

Kétdimenziós anyagok lévén az MXének sajátságait leginkább a felszínük határozza meg, ám még eléggé gyerekcipőben járnak azok a mérések, amelyek közvetlenül megmutatnák, hogyan befolyásolja a teljesítményüket a felszín vegyi összetétele. A Drexel Egyetem (Philadelphia, USA) Dinamikus Anyagjellemzés munkacsoportja ezt a hiátust próbálta kitölteni a Nature Communications lapjain frissen közölt kutatásával, melynek lényegi üzenete az, hogy az MXének felszínéhez kötött atomok, illetve a rétegeik közé bezárt molekulák milyenségének megválasztásával az anyagok több lényeges sajátsága drámai mértékben javítható.

A Drexel Egyetemen kifejlesztett új nanoanyag, az MXén Forrás: Drexel Zniversity

A Drexel tudósai az egyetemen 2016-ban kifejlesztett új elektronmikroszkópos technikát használták az MXének felszíni kémiai összetételének elemzésére. E technika segítségével minden korábbinál pontosabban és valós időben mérhetők az anyagi viselkedést meghatározó felszíni jellemzők. „Mindig is központi gondolat volt az MXének tulajdonságainak javítására irányuló törekvésekben az, hogy a zárófelszín, illetve a rétegek közé beékelődő molekulák változtatásával irányítani lehetne ezeknek az anyagoknak a sajátságait. Mégis nekünk először sikerült elérnünk ezt a célt, s ezzel lefektetnünk az MXének mérnöki tervezésének alapjait, minek révén javíthatjuk például a vezetőképességüket, és feltérképezhetjük a félvezető, mágneses tulajdonságú és topológiailag szigetelő MXének kifejlesztésének lehetőségeit – nyilatkozta Mitra Taheri, a Dinamikus Anyagjellemzés csoport feje és a tanulmány vezető szerzője. – A végső cél az, hogy irányítani tudjuk, mi zajlik az anyag rétegei között."

Az MXéneket a Drexel tudósai fedezték fel 2011-ben. Minden MXén úgy készül, hogy egy rétegzett kerámiaszerű anyagot elkezdenek kémiai úton lemarni. A marás eltávolítja a kerámia külső rétegeit, és egymásra halmozott kétdimenziós pelyheket hagy vissza. A maróanyag kémiai milyenségétől függően más és más atomok borítják a pelyhek felszínét – ezek az ún. terminációs atomfajták –, illetve más és más molekulák maradnak a pelyhek közé bezárva – ezeket pedig interkalánsoknak nevezik. A kutatók eddig is sejtették, hogy az MXén, a terminációs atomok és az interkalánsok közötti kölcsönhatás valamiképpen befolyásolja az MXén áramvezetési tulajdonságait. A mostani kísérletekben ez a sejtés beigazolódott.

Az MXén kiváló szigetelő tulajdonságait szemléltető ábra Forrás: Drexel University

A Drexelen eddig mintegy 30-féle MXént állítottak elő; a tanulmány ezek közül három olyat vett górcső alá, amelyek a leginkább esélyesek a jövőbeni alkalmazásra. Az volt az elképzelés, hogy az anyagok vezetőképességét megmérik a kísérlet előtt, majd később folyamatosan nyomon követik, miközben az interkalánsokat eltávolítják, és módosítják a pelyhek felszínének kémiai összetételét. Ehhez a pelyheket vákuumban fokozatosan 775 Celsius-fokra hevítették, és a hevítés közben valós időben figyelték az ellenállásukat – amiből a vezetőképességükre tudtak következtetni –, valamint az interkalánsok távozását az anyagból. A méréseket a csoport által korábban kifejlesztett, közvetlen detektálású elektronenergiavesztés-spektroszkópia nevű eljárással végezték, amely különösen alkalmas a kétdimenziós anyagokban végbemenő kémiai változások követésére.

Ugyanezen hevítési folyamat közben módjuk volt megfigyelni a terminációs atomok leválását is az MXén-pelyhek felszínéről. Az ellenállás mérése mindkét esetben azt mutatta, hogy mind az interkalánsok, mind a terminációs atomok távozása növelte az MXén vezetőképességét.

„Kísérleteinkben olyan MXénekből indultunk ki, amelyek felszínén oxigén, hidroxid és fluor terminációs csoportok elegyedtek, és megmutattuk, hogy e csoportok részleges eltávolításával számottevően növekszik a vezetőképesség. Ugyanez igaz az interkaláló víz és szerves molekulák kilépésére – összegezte Jamie Hart, a Drexel anyagtudományi tanszékének doktorandusza és a cikk társszerzője. – Ami lényeges: azzal, hogy az anyagokat elektronmikroszkóppal figyeltük és elektronenergiavesztés-spektroszkópiával mértük, bizonyítani tudtuk az ok-okozati kapcsolatot az interkalánsok és terminációs csoportok elvesztése, valamint a vezetőképesség növekedése között."

Hart kiemelte: bár a mérések csak megerősítették azt, amit egy ideje már sejteni lehetett, a szóban forgó kémiai változásokat eddig csaknem lehetetlen volt precízen kiváltani, nyomon követni és kimérni. Így a felfedezés nemcsak azért jelentős, mert megvilágítja az MXének viselkedésének anyagszerkezeti alapjait, hanem mert egyben iránymutatást ad arra is, hogy miként lehet ezt a viselkedést befolyásolni.

MXénnel fújnak be egy anyagot Forrás: Drexler University

„Az MXénekkel kapcsolatos kísérleti munka zöme valamilyen konkrét alkalmazásra koncentrál, mondjuk az MXén-alapú elemek gyártási folyamatának optimalizálására és a teljesítményük maximalizálására – folytatja Hart. – Mi viszont az MXének tulajdonságaival kapcsolatos alapvető kérdéseket tettünk fel tanulmányunkban, és eredményeink világos útmutatást adnak az MXének vezetőképességének javításához, aminek közvetlen gyakorlati haszna lehet az olyan alkalmazásokban, mint az antennák készítése vagy az elektromágneses interferencia árnyékolása."

A kutatás fontos lépést jelent az MXének hordható elektronikában, energiatároló eszközökben és elektromágneses árnyékolókban való felhasználása, illetve az ilyen célokra való optimalizálása felé. A most feltárt részletek annak megértését is segítik, hogy mi szükséges az MXének hosszú távú stabilitásához közönséges légköri nyomáson és hőmérsékleten. Végezetül az új ismeretek lendületet adnak a mágneses MXének előállításához, amelyek adattároló eszközökben nyerhetnek majd alkalmazást.