Depuis la découverte initiale de ce qui est devenu une famille en croissance rapide de matériaux en couches bidimensionnels - appelés MXenes - en 2011, les chercheurs de l'Université Drexel ont fait des progrès constants dans la compréhension de la composition et de la structure chimiques complexes, ainsi que des propriétés physiques et électrochimiques, de ces matériaux exceptionnellement polyvalents. Plus d'une décennie plus tard, des instruments avancés et une nouvelle approche ont permis à l'équipe de scruter les couches atomiques pour mieux comprendre le lien entre la forme et la fonction des matériaux.

Dans un article récemment publié dans Nature Nanotechnology , des chercheurs du Drexel's College of Engineering et de l'Institut de technologie et de l'Institut de microélectronique et de photonique de Varsovie en Pologne ont présenté une nouvelle façon d'examiner les atomes qui composent les MXènes et leurs matériaux précurseurs, les phases MAX, en utilisant une technique appelée spectrométrie de masse à ions secondaires. Ce faisant, le groupe a découvert des atomes dans des endroits où ils n'étaient pas attendus et des imperfections dans les matériaux bidimensionnels qui pourraient expliquer certaines de leurs propriétés physiques uniques. Ils ont également démontré l'existence d'une toute nouvelle sous-famille de MXènes, appelés oxycarbures, qui sont des matériaux bidimensionnels où jusqu'à 30 % des atomes de carbone sont remplacés par de l'oxygène.

Cette découverte permettra aux chercheurs de construire de nouveaux MXènes et d'autres nanomatériaux aux propriétés accordables les mieux adaptées à des applications spécifiques telles que les antennes pour la communication sans fil 5G et 6G et les boucliers contre les interférences électromagnétiques ; aux filtres pour la production, le stockage et la séparation de l'hydrogène ; aux reins portables pour les patients dialysés.

« Une meilleure compréhension de la structure et de la composition détaillées des matériaux bidimensionnels nous permettra de libérer leur plein potentiel », a déclaré Yury Gogotsi, Ph.D., université distinguée et professeur Bach au Collège, qui a dirigé la recherche de caractérisation MXene. "Nous avons maintenant une idée plus claire de la raison pour laquelle les MXenes se comportent comme ils le font et nous serons en mesure d'adapter leur structure et donc leurs comportements pour de nouvelles applications importantes."

La spectrométrie de masse des ions secondaires (SIMS) est une technique couramment utilisée pour étudier les surfaces solides et les films minces et la façon dont leur chimie change avec la profondeur. Il fonctionne en projetant un faisceau de particules chargées sur un échantillon, qui bombarde les atomes à la surface du matériau et les éjecte - un processus appelé pulvérisation. Les ions éjectés sont détectés, collectés et identifiés en fonction de leur masse et servent d'indicateurs de la composition du matériau.

Alors que le SIMS a été utilisé pour étudier des matériaux multicouches au fil des ans, la résolution en profondeur a été limitée à l'examen de la surface d'un matériau (plusieurs angströms). Une équipe dirigée par Pawel Michalowski, Ph.D., de l'Institut polonais de microélectronique et de photonique, a apporté un certain nombre d'améliorations à la technique, notamment en ajustant l'angle et l'énergie du faisceau, la façon dont les ions éjectés sont mesurés ; et nettoyer la surface des échantillons, ce qui leur a permis de pulvériser les échantillons couche par couche. Cela a permis aux chercheurs de visualiser l'échantillon avec une résolution au niveau de l'atome qui n'était pas possible auparavant.

"La technique la plus proche pour l'analyse des couches minces et des surfaces de MXènes est la spectroscopie photoélectronique à rayons X, que nous utilisons à Drexel depuis la découverte du premier MXène", a déclaré Mark Anayee, doctorant dans le groupe de Gogotsi. "Alors que XPS ne nous a donné qu'un aperçu de la surface des matériaux, SIMS nous permet d'analyser les couches sous la surface. Il nous permet de" supprimer "précisément une couche d'atomes à la fois sans perturber ceux qui se trouvent en dessous. Cela peut donner nous une image beaucoup plus claire qui ne serait pas possible avec toute autre technique de laboratoire."

Alors que l'équipe épluchait la couche supérieure d'atomes, comme un archéologue déterrant soigneusement une nouvelle découverte, les chercheurs ont commencé à voir les caractéristiques subtiles de l'échafaudage chimique dans les couches de matériaux, révélant la présence et le positionnement inattendus d'atomes et divers défauts. et imperfections.

"Nous avons démontré la formation de MXènes contenant de l'oxygène, appelés oxycarbures. Cela représente une nouvelle sous-famille de MXènes, ce qui est une grande découverte." dit Gogotsi. "Nos résultats suggèrent que pour chaque carbure MXène, il existe un oxycarbure MXène, où l'oxygène remplace certains atomes de carbone dans la structure du réseau."

Étant donné que MAX et MXenes représentent une grande famille de matériaux, les chercheurs ont exploré plus avant des systèmes plus complexes comprenant plusieurs éléments métalliques. Ils ont fait plusieurs observations révolutionnaires, notamment le mélange d'atomes dans le carbure de chrome-titane MXène, que l'on pensait auparavant être séparé en couches distinctes. Et ils ont confirmé les découvertes précédentes, telles que la séparation complète des atomes de molybdène des couches externes et des atomes de titane de la couche interne dans le carbure de molybdène-titane.

Toutes ces découvertes sont importantes pour développer des MXènes avec une structure finement ajustée et des propriétés améliorées, selon Gogotsi.

"Nous pouvons désormais contrôler non seulement la composition élémentaire totale des MXènes, mais également savoir dans quelles couches atomiques se trouvent les éléments spécifiques tels que le carbone, l'oxygène ou les métaux", a déclaré Gogotsi. "Nous savons que l'élimination de l'oxygène contribue à augmenter la stabilité environnementale du carbure de titane MXene et à augmenter sa conductivité électronique. Maintenant que nous avons une meilleure compréhension de la quantité d'oxygène supplémentaire contenue dans les matériaux, nous pouvons ajuster la recette - pour ainsi dire - pour produisent des MXenes qui n'en ont pas, et par conséquent plus stables dans l'environnement."

L'équipe prévoit également d'explorer des moyens de séparer les couches de chrome et de titane, ce qui l'aidera à développer des MXènes aux propriétés magnétiques attrayantes. Et maintenant que la technique SIMS s'est avérée efficace, Gogotsi prévoit de l'utiliser dans de futures recherches, y compris son récent effort financé par le Département américain de l'énergie de 3 millions de dollars pour explorer les MXenes pour le stockage de l'hydrogène, une étape importante vers le développement d'un nouveau système durable. source d'énergie.

"À bien des égards, l'étude des MXenes au cours de la dernière décennie a cartographié un territoire inexploré", a déclaré Gogotsi. "Avec cette nouvelle approche, nous avons de meilleures indications sur où chercher de nouveaux matériaux et applications." + Explorer plus loin

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