Des chercheurs du Missouri S&T ont découvert une nouvelle façon d'exploiter le potentiel d'un type de films minces de MXene oxydés spontanément, pour créer des nanocomposites capables de détecter à la fois la lumière et l'environnement. Précédemment, une telle oxydation spontanée a été considérée comme préjudiciable car elle dégrade la structure du MXène. La recherche est publiée dans le numéro de juin 2018 de ACS Nano , l'un des mieux notés de Google Scholar, revues scientifiques à comité de lecture.

« Maintenant, nous avons démontré que l'oxydation spontanée partielle des MXènes en oxyde de titane est intégrée aux flocons de MXène, peuvent être exploités pour fabriquer à peu de frais des nanocomposites MXene-titane utiles, " dit le Dr Vadym Mochalin, professeur agrégé de chimie à l'Université des sciences et technologies du Missouri et chercheur principal de la recherche.

"Avec l'augmentation exponentielle des recherches de MXenes au cours des dernières années, les découvertes conceptuelles sont de moins en moins fréquentes, " dit Mochalin. " En parallèle, les chercheurs approfondissent les propriétés fondamentales de MXenes, en particulier, la chimie compliquée de ces matériaux."

Les MXènes sont des composés inorganiques bidimensionnels constitués de quelques couches d'atomes de carbure et de nitrure métalliques qui possèdent une conductivité électrique élevée ainsi qu'une hydrophilie, propriétés électroniques optiques et accordables non linéaires. En tant que conducteurs métalliques, ils ne doivent pas produire de photocourant dans le matériau lorsqu'ils sont exposés à la lumière, tout comme les semi-conducteurs typiques tels que le silicium.

Cependant, dans leur article de juin, "Environment-Sensitive Photorespons of Spontaneously Partially Oxidized Ti3C2 MXene Thin Films" co-écrit par Mochalin et le Dr Sergii Chertopalov, chercheur post-doctorant dans le groupe Mochalin, les auteurs ont mesuré un photocourant à travers les échantillons lorsque les films minces de Ti3C2 MXène partiellement oxydés ont été irradiés avec de la lumière ultraviolette (UV).

« Les scientifiques des matériaux connaissent l'oxyde de titane comme matériau semi-conducteur photosensible pour de nombreuses applications, notamment la photocatalyse, l'assainissement et la détection de l'environnement, mais sa fabrication sous forme de nanocristaux ou de nanofilms est coûteuse, " dit Chertopalov. " L'oxydation spontanée est maintenant démontrée comme une simple, méthode peu coûteuse pour fabriquer des films nanocomposites transparents MXene-semiconducteur pour des applications dans des photodétecteurs UV, photorésistances, capteurs, et d'autres dispositifs dont la résistivité électrique est sensible au rayonnement UV et change en fonction des molécules présentes dans l'environnement."

"Lorsqu'il est exposé à l'air ambiant, contenant de l'oxygène et de la vapeur d'eau atmosphérique, l'oxydation spontanée des MXènes à base de titane provoque la formation d'oxyde de titane à la surface du MXène. La différence que notre recherche met en évidence, est que nous avons découvert que ces films minces partiellement oxydés répondaient de manière significative à la lumière UV, et leur photoréponse dépend fortement de l'atmosphère à laquelle ils sont exposés. Cette découverte ouvre la porte à de nombreuses nouvelles applications de MXenes, " conclut Mochalin.

Depuis la découverte de MXenes en 2011, Mochalin a fait des recherches approfondies sur les matériaux, en particulier leurs propriétés chimiques et physiques. Outre MXenes et autres matériaux 2D, Mochalin travaille également avec des nanodiamants dans des environnements interdisciplinaires au Missouri S&T et collabore étroitement avec des chercheurs et des entreprises internationaux qui poursuivent activement la recherche et le développement de MXenes.

Mochalin et Chertopalov prévoient de présenter les résultats de l'article de juin lors de la prochaine chimie, nanotechnologie, et des conférences sur les matériaux. Leur recherche a été partiellement financée par une subvention de démarrage de l'Université des sciences et technologies du Missouri.