Pierwszy widok na poziomie atomowym odblokowuje nieograniczone możliwości

Badacze Drexel i UCLA przeprowadzają pierwszą analizę skaningowego mikroskopu tunelowego i spektroskopii unikalnego materiału 2D.

Zaawansowane techniki obrazowania ujawniły złożoną chemię powierzchni MXenes, obiecującego materiału do zastosowań w energetyce i telekomunikacji, potencjalnie prowadząc do niestandardowych funkcjonalności do konkretnych zastosowań.

W ciągu dziesięciu lat od odkrycia na Uniwersytecie Drexel rodzina materiałów dwuwymiarowych MXene wykazała znaczny potencjał w zastosowaniach od odsolenie wody I magazynowanie energii Do ekranowanie elektromagnetyczne I telekomunikacja, pośród innych. Choć naukowcy szeroko spekulują na temat początków ich wszechstronności, niedawne badania prowadzone przez Uniwersytet Drexel i Uniwersytet Kalifornijski w Los Angeles dostarczyły pierwszego jasnego wglądu w strukturę chemiczną powierzchni, która leży u podstaw możliwości MXenes.

Korzystając z zaawansowanych technik obrazowania, znanych jako skaningowa mikroskopia tunelowa (STM) i skaningowa spektroskopia tunelowa (STS), zespół, w skład którego wchodzą także badacze z California State University Northridge i Lawrence Berkeley National Laboratory, sporządził mapę elektrochemicznej topografii powierzchni węglika tytanu MXene — najczęściej badany i powszechnie używany członek rodziny. Wyniki ich badań opublikowano w wydanym z okazji 5. rocznicy wydaniu czasopisma Cell Press Materiałpomoże wyjaśnić zakres właściwości wykazywanych przez członków rodziny MXene i umożliwi badaczom dostosowanie nowych materiałów do konkretnych zastosowań.

Znaczenie chemii powierzchni

„Wiele potencjalnych wyników MXenes wynika z bogatej chemii powierzchni” – powiedział doktor Yury Gogotsi, Distinguished University i profesor Bacha w Drexel’s College of Engineering, główny autor badania, którego grupa badawcza uczestniczyła w odkryciu materiałów w 2011 roku. „Uzyskanie pierwszego spojrzenia na ich powierzchnię w skali atomowej za pomocą skaningowej mikroskopii tunelowej to ekscytujące osiągnięcie, które otworzy nowe możliwości kontrolowania powierzchni materiału i umożliwi zastosowanie MXenes w zaawansowanych technologiach”.

Chociaż MXeny są materiałami dwuwymiarowymi, interakcja leżąca u podstaw ich właściwości chemicznych, elektrochemicznych i katalitycznych – niezależnie od tego, czy jest to ultraszybkie magazynowanie energii elektrycznej, rozkład wody w celu wytworzenia wodoru czy zbieranie mocznika z krwi – jest inicjowana przez atomy które tworzą ich warstwę powierzchniową.

Poprzednie badania zapewnił spojrzenie w niższej rozdzielczości na strukturę chemiczną powierzchni MXene, wykorzystując technologie takie jak skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM), spektroskopia mas jonów wtórnych (SIMS) i spektroskopia Ramana ze wzmocnioną końcówką (TERS). Narzędzia te umożliwiają pośredni odczyt składu materiału, ale dostarczają niewiele informacji na temat zawiłości organizacji jego powierzchni.

Z kolei skaningowa mikroskopia tunelowa i skaningowa spektroskopia tunelowa dostarczają bardziej bezpośrednich informacji o kształcie i składzie struktury powierzchni materiału, a także o jego składzie chemicznym i właściwościach powierzchni.

Szczegółowa analiza powierzchni

Narzędzia te wykorzystują niezwykle ostrą sondę, wystarczająco czułą, aby ją rozróżnić atom od drugiego podczas skanowania po płaskiej powierzchni. Końcówka sondy przenosi ładunek elektryczny, który umożliwia jej interakcję z każdym przechodzącym atomem. Ta interakcja – zwana tunelowaniem kwantowym – dostarcza informacji o atomach na powierzchni materiału. Skany spektroskopowe dostarczają informacji o składzie powierzchni na poziomie atomowym i molekularnym. Skany przekształcane są w obrazy, tworząc mapy topograficzne powierzchni materiału.

„Dzięki STM/STS możemy zobaczyć układy atomowe na powierzchni MXenes, a nawet zbadać ich przewodnictwo z rozdzielczością atomową” – powiedział Gogotsi. „To klucz do zrozumienia, dlaczego MXenes mają ekstremalne właściwości i przewyższają inne materiały w wielu zastosowaniach. Powinno nam to również pomóc w badaniu właściwości kwantowych MXenes i zidentyfikowaniu nowych możliwości dla tej szybko rozwijającej się rodziny materiałów”.

Według naukowców lokalizowanie grup atomów – zwanych grupami funkcyjnymi – identyfikacja ich i pomiar ich właściwości na powierzchni, biorąc pod uwagę ich specyficzne położenie i przyłączenie, to ważne osiągnięcia w zrozumieniu interakcji MXenów z innymi substancjami chemicznymi i materiałami.

„Powierzchnie MXene są chemicznie niejednorodne. To właśnie czyni je interesującymi i utrudnia studiowanie” – powiedział dr Paul Weiss, wybitny profesor i przewodniczący Wydziału Prezydenckiego Uniwersytetu Kalifornijskiego w Uniwersytet Kalifornijski który prowadził badania z Gogotsi. „Wierzymy, że jest to również klucz do ich niesamowitych właściwości. Jednak nie wiemy jeszcze, które funkcje chemiczne są ważne dla jakich zastosowań”.

Obrazowanie STM/STS wykonane przez grupę pokazało 10-nanometrowe cechy na powierzchni MXene, prawdopodobnie skupiska tlenku tytanu i mniejsze wypukłości ułożone w zniekształconą symetrię sześciokątną, które uznano za grupy funkcyjne, które następnie zidentyfikowano chemicznie.

Wyniki tych badań były zgodne z wcześniejszymi teoriami, mikroskopią o niższej rozdzielczości i danymi spektralnymi dotyczącymi powierzchni MXenów z węglika tytanu, w tym przewidywaniami, że ich powierzchnia jest metaliczna. Zdaniem zespołu jednak bliższe przyjrzenie się defektom powierzchni i naturze jej niejednorodności to ważny krok w zrozumieniu ich wpływu na zachowanie materiału.

„W tej pracy zaczęliśmy ciągnąć za nitki. Udało nam się zobrazować i zacząć przypisywać niektóre funkcje chemiczne” – powiedział Weiss. „Jednym z najciekawszych nieznanych aspektów MXenes jest rola ich defektów i niejednorodności w ich funkcjonowaniu i stabilności środowiskowej. Teraz jesteśmy już u progu możliwości eksploracji tych ról”.

Opierając się na zbiorowej wiedzy specjalistów zajmujących się materiałami firmy Drexel, grup STM na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles i Lawrence Berkley National Laboratory oraz naukowców-teoretyków z Cal State Northridge, grupa będzie kontynuować rygorystyczną analizę materiałów w celu ustalenia procesu modulowania ich składu chemicznego aby dostosować ich funkcjonalność do różnych zastosowań.

Odniesienie: „Badania powierzchni Ti3C2Tx MXene w skali atomowej” autorstwa Katherine E. White, Yi Zhi Chu, Gilad Gani, Stefano Ippolito, Kristopher K. Barr, John C. Thomas, Alexander Weber-Bargioni, Kah Chun Lau, Yury Gogotsi i Paul S. Weiss, , Materiał.
DOI: 10.1016/j.matt.2024.06.025

Badanie zostało sfinansowane przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych.