Les MXènes sont recouverts de métal-oxygène et de métal-hydroxyle (par exemple, des liaisons Ti-OH), qui sont chimiquement et électrochimiquement actifs. Crédit :KAUST
Découvert par des chercheurs de l'Université Drexel comme électrodes pour des applications énergétiques, MXenes est devenu un axe de recherche pour KAUST. Husam Alshareef et son équipe sont spécialisés dans la création de nanomatériaux pour des applications électroniques et énergétiques. Ils les transforment en appareils, comme les supercondensateurs, piles et capteurs. La surface chimiquement active et le noyau hautement conducteur des MXenes en font un matériau candidat idéal pour la recherche de pointe sur les matériaux du groupe.
Les MXènes sont généralement constitués d'un noyau d'atomes de titane et de carbone, juste quelques atomes d'épaisseur. Ce matériau métallique (un carbure ou un nitrure) a une conductivité électrique comparable à un fil de cuivre. La surface supérieure et inférieure du MXene est recouverte de liaisons métal-oxygène (par exemple Ti-O) et métal-hydroxyle (par exemple Ti-OH), qui sont chimiquement et électrochimiquement actifs. "Cette combinaison de propriétés rend MXenes unique, " explique Alshareef.
"Les chercheurs de KAUST ont apporté des contributions révolutionnaires aux applications de MXenes dans les appareils électroniques et les capteurs, " dit Yury Gogotsi, un professeur de l'Université Drexel aux États-Unis, l'un des découvreurs de MXenes. « Ils les ont fait passer du stade des matériaux au stade des appareils grâce à leur expérience de l'électronique. Ceci est très important et peut être un moment décisif dans la mise en œuvre pratique de MXenes dans l'industrie. »
Partir de zéro
« Avoir le savoir-faire pour préparer des MXenes de bonne qualité est essentiel pour obtenir d'excellentes performances, " dit Alshareef. Pour fabriquer les cristaux atomiques 2-D MXene, le matériel parent, dite phase MAX, est d'abord préparé à l'aide de la technologie conventionnelle de traitement de la céramique. Le M dans MAX représente un métal de transition, comme le titane; A est typiquement de l'aluminium; et X est le carbone ou l'azote. Les méthodes de traitement en solution sont utilisées pour éliminer sélectivement l'aluminium afin de créer des cristaux bidimensionnels. Ces cristaux sont placés dans des suspensions qui sont ensuite utilisées pour faire des films, gels, feuilles et points quantiques de MXene.
Les défis de la fabrication de MXenes sont que des températures aussi élevées que 1700 degrés Celsius sont nécessaires pour créer la phase MAX parente, et HF est nécessaire pour graver l'aluminium. « Nous développons des procédés pour simplifier les protocoles de synthèse et les rendre plus écologiques et économes en énergie à préparer, " dit Alshareef.
Membranes MXene, comme ceux fabriqués dans le laboratoire d'Alshareef, sont utilisés pour le stockage d'énergie, détection et production d'énergie osmotique. Crédit :KAUST
Développement de nouveaux appareils
Récemment, Alshareef et son groupe ont développé un logiciel basé sur MXene, polymères super extensibles appelés hydrogels. "Nous l'appelons peau intelligente MXene, " dit Alshareef. " Il est extensible par 3, 400 pour cent, auto-guérison, doux et peut sentir à peu près n'importe quoi - la force du toucher, direction, la vitesse, voix, pression, Température, l'humidité." L'équipe a montré qu'un petit morceau de peau intelligente placé sur le front pouvait différencier plusieurs expressions faciales, tandis qu'un morceau placé sur la peau au-dessus de la boîte vocale pourrait différencier chaque lettre de l'alphabet simplement en mesurant le mouvement de la boîte vocale.
MXenes peut être utilisé pour créer de meilleurs capteurs, écrans tactiles, photodétecteurs et composites. Crédit :KAUST
Appareils à capteurs, qui peut capitaliser sur la grande surface et la conductivité extraordinaire de MXenes, sont une autre voie de recherche prometteuse. Plus récemment, l'équipe a créé un capteur de transpiration portable basé sur MXene pour surveiller les biomarqueurs clés de la transpiration. Le capteur extensible peut mesurer simultanément plusieurs paramètres, y compris le lactate, glucose, pH et zinc. "Il mesure et transmet directement à votre téléphone, et il fonctionne, " dit Alshareef. " Notre prototype de capteur de sueur portable fonctionne bien, et nos efforts futurs se concentreront sur la miniaturisation."
Les collaborations d'Alshareef sur le campus KAUST démontrent le vaste potentiel de MXenes. Il a travaillé avec Omar Mohammed pour comprendre leurs propriétés optoélectroniques fondamentales et fabriquer des dispositifs photoniques et plasmoniques à base de MXene; Peng Wang, du Centre de dessalement et de réutilisation de l'eau, développer des générateurs d'énergie osmotique; et Xixiang Zhang pour explorer la nature bidimensionnelle des MXenes pour faire croître du ferroélectrique bidimensionnel, cristaux électro-optiques et piézoélectriques qui héritent des propriétés des MXenes.
