Les groupes fonctionnels de surface dans les carbures de métaux de transition bidimensionnels (2-D) peuvent subir des transformations chimiques polyvalentes pour faciliter une large classe de matériaux MXene. Dans un nouveau rapport sur Science , Vladislav Kamysbayev, et une équipe de scientifiques en chimie, la physique et les matériaux nanométriques à l'Institut James Franck, l'Université de Chicago et l'Argonne National Laboratory aux États-Unis ont introduit une stratégie générale pour synthétiser les MXenes. En utilisant la méthode, ils ont installé et supprimé des groupes de surface via des réactions de substitution et d'élimination au sein de sels inorganiques fondus. L'équipe a réussi à synthétiser des MXènes avec de l'oxygène (O), imidogène (NH), soufre (S), chlore (Cl), sélénium (Se), terminaisons de surface bromure (Br) et tellure (Te). Ils ont également conçu et développé des MXenes nus sans terminaisons de surface et avec des structures et des propriétés électroniques distinctives. Les groupes de surface pourraient également contrôler les distances interatomiques dans le réseau MXene pour présenter une supraconductivité dépendante du groupe de surface.

Les scientifiques ont étudié les MXenes pour des applications dans les supercondensateurs, piles, blindage contre les interférences électromagnétiques et composites. Les substrats peuvent être typiquement synthétisés à partir des phases MAX correspondantes où M représente le métal de transition, X représente le carbone ou l'azote, par gravure sélective de l'élément de groupe principal A, qui peut comprendre de l'aluminium (Al), gallium (Ga), silicium (Si) et autres éléments. Les chercheurs effectuent généralement une gravure dans des solutions aqueuses de fluorure d'hydrogène (HF) qui rendent les MXènes avec un mélange de fluorure (F), des fonctions oxygène (O) et hydroxyde (OH), communément appelé T X . Les groupes fonctionnels peuvent également être modifiés chimiquement, contrairement aux surfaces d'autres matériaux 2-D tels que le graphène et les dichalcogénures de transition. Des recherches antérieures avaient montré que des terminaisons sélectives de MXènes avec différents groupes de surface peuvent conduire à des propriétés remarquables, y compris les fonctions de travail réglables et le ferromagnétisme 2D. La fonctionnalisation covalente du substrat conduira à découvrir de nouvelles directions pour concevoir rationnellement des matériaux fonctionnels 2D.

En gravant des phases MAX dans des sels fondus en laboratoire, les scientifiques ont éliminé les réactions d'oxydation et d'hydrolyse indésirables pour synthétiser les nouveaux MXènes. Kamysbayev et al. caractérisé les échantillons par microscopie électronique à transmission à balayage (STEM) à haute résolution, Spectroscopie Raman et combinaison de méthodes aux rayons X. Ils ont montré comment le chlorure (Cl ^- ) et le bromure (Br ^- ) les MXènes terminés pourraient s'engager efficacement dans de nouveaux types de réactions de surface. Le processus a permis un contrôle sans précédent de la chimie de surface, structure et propriétés des matériaux MXene. Les MXènes à base de chlorure et de bromure avec une liaison de surface labile (facile à modifier) ​​ont agi comme des synthons polyvalents pour des transformations chimiques supplémentaires. Les réactions d'échange de surface MXene nécessitaient des températures de 300 degrés Celsius à 600 degrés Celsius, qui sont difficiles à réaliser avec les solvants traditionnels. L'équipe a donc utilisé des halogénures de métaux alcalins fondus dans des solvants présentant une stabilité à haute température et une solubilité inégalées. Par exemple, MXènes halogénés tels que Ti 3 C 2 Br 2 dispersés dans des halogénures alcalins tels que le bromure de césium, le bromure de potassium ou le bromure de lithium (CsBr/KBr/LiBr) pourraient réagir avec le tellurure de dilithium (Li 2 Te) et le sulfure de lithium (Li 2 S) pour former des MXènes avec un groupe tellurure ou sulfure.

Kamysbayev et al. puis synthétisé Ti 2 CCl 2 , Ti 2 CBr 2 , et Nb 2 CCl 2 (désignés en bref par chlorure-MXènes et bromure-MXènes) sur la base de modifications de surface covalentes similaires. Ils ont effectué des réactions d'échange de surface sur les MXenes pour démontrer les feuilles 2-D intactes pendant toutes les étapes de transformation. Par exemple, lors de réactions de bromure-MXènes avec l'hydrure de lithium à 300 degrés Celsius, l'équipe a produit des MXenes nus avec des sites vacants et a décrit le processus comme une élimination réductrice des groupes hydrure. Les transformations chimiques des solides sont généralement entravées par une diffusion lente pour limiter sévèrement la portée de la synthèse de composés à l'état solide, par conséquent, l'échange complet des groupes de surface dans les MXènes empilés était un processus cinétiquement lourd.

Pour comprendre la réactivité matérielle, les scientifiques ont suivi l'évolution des réactions d'échange de surface à l'aide de Ti 3 C 2 Cl 2 des draps. Le dépilage des feuilles de MXene dans les sels fondus a grandement facilité la diffusion des ions pour rendre les surfaces de MXene accessibles stériquement. Les rayons de van der Waals (vdW) et la densité de tassement des atomes de surface dans le matériau ont eu un effet énorme sur la constante de réseau notée une . Le travail a montré comment la composition et la structure de MXenes pouvaient être conçues avec une polyvalence sans précédent, tandis que la fonctionnalisation chimique des MXenes a affecté presque toutes les propriétés des matériaux et a influencé la nature du transport électronique dans les MXenes. Au dessus d'une température de 30 K, les échantillons de phase MAX et MXene ont montré une résistivité spécifique similaire, qui diminue lors du refroidissement de l'échantillon. L'équipe a associé la dépendance de la température à la conductivité et à un état métallique.

Kamysbayev et al. a noté une forte baisse de résistivité à une température critique de 6,0 K, pour indiquer la transition supraconductrice dans le matériau. Relativement, oxygène, Les MXènes à base d'hydroxyde et de fluorure préparés par la voie de gravure traditionnelle (en HF aqueux) ont montré une résistivité supérieure de deux ordres de grandeur sans afficher de supraconductivité. Les MXenes à terminaison oxo ont montré la résistivité la plus élevée, tandis que le MXene à terminaison séléno-terminée a montré la plus faible résistivité. De cette façon, les groupes de surface n'étaient pas de simples spectateurs mais des contributeurs actifs à la supraconductivité MXene, affectant la déformation biaxiale, fréquences des phonons et la force du couplage électron-phonon dans le matériau. Les réactions d'échange de MXene représentent un contre-exemple passionnant à la vision traditionnelle des solides qui sont généralement considérés comme difficiles à modifier après la synthèse. À l'aide d'études approfondies de caractérisation, Vladislav Kamysbayev et ses collègues ont montré comment les liaisons chimiques à l'intérieur d'un empilement de MXene étendu pouvaient être conçues de manière rationnelle pour former une large classe de matériaux fonctionnels.

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