Au milieu d'une vague de recherches au cours des deux dernières décennies axées sur les propriétés spéciales des structures qui ne font qu'un ou deux atomes d'épaisseur, les matériaux dits « bidimensionnels », les chercheurs de l'Université Drexel ont régulièrement découvert les propriétés exceptionnelles d'une famille de ces matériaux, appelé MXenes. Les chercheurs savent maintenant que les MXenes sont hautement conducteurs et extrêmement durables, ils peuvent bloquer les interférences électromagnétiques, détecter les produits chimiques dans l'air, retirer le sel de l'eau, et capter l'hydrogène. Ils ont fait de solides arguments pour s'impliquer dans l'avenir du stockage d'énergie, communication sans fil et technologie portable. Mais avant que cela ne se produise, les chercheurs doivent comprendre pourquoi MXenes peut faire ce qu'il fait et comment il peut être conçu pour mieux le faire.
En tant que matériaux bidimensionnels, Les MXenes sont largement définis par leurs surfaces, pourtant, les chercheurs en sont aux premiers stades de la mesure directe de l'influence de la chimie de surface des MXenes sur leurs performances. Des chercheurs du groupe de caractérisation dynamique du Drexel's College of Engineering ont récemment abordé cette question dans la revue Communication Nature . Leur étude suggère que l'ingénierie des atomes liés aux surfaces des MXenes et des molécules entre leurs couches pourrait considérablement améliorer diverses propriétés des matériaux.
Dans leur examen de la chimie de surface du MXene, les recherches se sont appuyées sur une nouvelle technique de microscopie électronique - développée à Drexel en 2016 - qui permet une mesure sans précédent de la chimie de surface définissant les propriétés en temps réel.
« Alors que l'idée de contrôler les propriétés du MXene en modifiant leur terminaison de surface et leur intercalation a toujours été un objectif clé pour faire progresser ces matériaux, nous sommes les premiers à atteindre directement cet objectif et à jeter les bases de l'ingénierie de ces matériaux pour améliorer la conductivité et explorer la possibilité de développer des semi-conducteurs, MXènes magnétiques et topologiquement isolants, " dit Mitra Taheri, Doctorat., professeur Hoeganaes et responsable du groupe de caractérisation dynamique, l'auteur principal de l'étude. "Le Saint Graal est d'avoir le contrôle sur ce qui se passe 'entre les draps, ' pour ainsi dire. Nous démontrons une étape majeure vers l'ingénierie de terminaison grâce à l'utilisation de nouvelles techniques TEM in situ et de notre technologie de spectroscopie de détection directe. »
MXenes, découvertes pour la première fois à Drexel en 2011, sont fabriqués par gravure chimique d'un matériau céramique en couches appelé phase MAX, pour enlever un ensemble de couches chimiquement apparentées, laissant une pile de flocons bidimensionnels. Sur la base du décapant chimique exact utilisé, les espèces atomiques laissées liées aux surfaces des flocons – les espèces de terminaison – et les molécules qui se coincent entre les flocons – les intercalants – varieront. Les chercheurs ont émis l'hypothèse que l'interaction entre le MXene, espèces de terminaison, et les espèces d'intercalation ont quelque chose à voir avec la conductivité de MXenes.
Maintenant, ils l'ont confirmé.
Quelque 30 types différents de MXenes ont été produits chez Drexel, et cette étude a examiné le comportement de trois qui sont fréquemment explorés pour des applications. L'objectif des chercheurs était de mesurer la conductivité de ces matériaux avant d'être testés, puis de le surveiller au fur et à mesure que les intercalants étaient éliminés et que la chimie de surface des flocons était modifiée.
Pour faire ça, l'équipe a progressivement chauffé les matériaux sous vide à des températures pouvant atteindre 775 degrés Celsius. Pendant le processus de chauffage, l'équipe a surveillé à la fois la résistance électronique du matériau - un moyen de déterminer sa conductivité - ainsi que la dissipation chimique, ou désintercalation, de l'intercalant en temps réel. Pour faire ces mesures, les chercheurs ont utilisé une technique qu'ils avaient déjà développée, appelée spectroscopie de perte d'énergie électronique à détection directe, ce qui est idéal pour surveiller les changements chimiques dans les matériaux 2-D.
Le même processus a permis de surveiller et d'étudier la libération des atomes de terminaison de la surface des flocons de MXene. Dans les deux cas, mesures de la résistance électrique du matériau, ont révélé qu'ils devenaient plus conducteurs à mesure que les intercalants et les espèces de terminaison étaient éliminés.
« Dans notre étude, nous avons commencé avec MXenes qui avait un mélange d'oxygène, hydroxyde, et les espèces de terminaison fluor, et nous avons montré que lorsque vous supprimez partiellement ces groupes de terminaison de surface, la conductivité augmente considérablement. Ceci est également vrai car l'eau et les molécules organiques sont désintercalées, " a déclaré Jamie Hart, un chercheur doctorant au Département de science et génie des matériaux et auteur de la recherche. " Surtout, en testant ces matériaux au microscope électronique et en les mesurant par spectroscopie de perte d'énergie électronique, nous avons pu établir une relation causale entre l'intercalation et la perte de terminaison et l'amélioration de la conductivité."
Bien que cela confirme une théorie sur laquelle on spécule depuis un certain temps, Hart note qu'il a été presque impossible d'induire avec précision, suivre et mesurer les effets de ces changements chimiques jusqu'à maintenant. Cette découverte est donc importante non seulement parce qu'elle montre la source du comportement de MXenes, mais aussi comment le comportement peut être modifié.
"La plupart des études expérimentales portant sur MXenes sont orientées vers une application spécifique, par exemple, utiliser MXene pour fabriquer une batterie et optimiser la fabrication et la conception pour maximiser les performances de la batterie, " Hart a déclaré. "Notre étude pose des questions fondamentales sur les propriétés de MXenes et nos résultats fournissent des directives claires sur la façon d'améliorer la conductivité dans MXenes, ce qui devrait se traduire directement par une amélioration des performances pour des applications telles que les antennes et le blindage contre les interférences électromagnétiques."
Les résultats sont une étape importante vers l'optimisation des MXenes pour diverses applications :électronique portable, stockage d'énergie et protection contre les interférences électromagnétiques, sont parmi ceux qui se profilent à l'horizon, ainsi que de comprendre comment les rendre stables dans des conditions atmosphériques pendant de longues périodes. Ils ouvrent également la voie à la création de MXenes magnétiques qui pourraient être utilisés pour les périphériques de stockage de données.
"Ce type de recherche est à la base du développement de MXenes et de leur éventuelle intégration dans les appareils qui améliorent notre vie de tous les jours, " a déclaré Kanit Hantanasirisakul, doctorant au Drexel's College of Engineering, et co-auteur de l'étude. "Ce sera passionnant de suivre les progrès de MXenes maintenant que nous avons une meilleure compréhension de la façon de contrôler leurs propriétés."
