Wissenschaftler entdecken eine einfache Möglichkeit, Atome herzustellen

Von der University of Chicago, 30. März 2023

Eine Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahme zeigt die schönen Formen winziger Strukturen, die als MXenes bekannt sind und für Wissenschaftler für neue Geräte und Elektronik von Interesse sind, bisher aber schwer herzustellen waren. Diese wurden mit einer neuen, einfacheren und weniger toxischen Methode gezüchtet, die von Chemikern der University of Chicago erfunden wurde. Als Referenz: Der Durchmesser eines menschlichen Haares beträgt etwa 50 µm. Bildnachweis: Di Wang

Der Schlüssel zu einem perfekten Croissant liegt in seiner Vielzahl an Schichten, die jeweils mit Butter durchsetzt sind. Ebenso besteht ein neues Material mit Potenzial für verschiedene Anwendungen aus zahlreichen ultradünnen Metallschichten, zwischen die Wissenschaftler unterschiedliche Ionen für bestimmte Zwecke einfügen können. Dies macht sie potenziell sehr nützlich für zukünftige hochmoderne Elektronik und Energiespeicher.

Bis vor Kurzem war die Herstellung dieser Materialien, bekannt als MXenes (ausgesprochen „max-eens“), genauso arbeitsintensiv wie die Herstellung eines hochwertigen Croissants in einer traditionellen französischen Bäckerei.

Doch ein neuer Durchbruch von Wissenschaftlern der University of Chicago zeigt, wie diese MXene viel schneller und einfacher und mit weniger toxischen Nebenprodukten hergestellt werden können.

Die Forscher hoffen, dass die in der Fachzeitschrift Science veröffentlichte Entdeckung neue Innovationen anregen und den Weg für den Einsatz von MXenes in alltäglichen Elektronikgeräten und Geräten ebnen wird.

Als sie 2011 entdeckt wurden, lösten MXenes bei vielen Wissenschaftlern große Begeisterung aus. Wenn man ein Metall wie Gold oder Titan zu atomar dünnen Schichten abschneidet, verhält es sich normalerweise nicht mehr wie ein Metall. Aber ungewöhnlich starke chemische Bindungen in MXenen ermöglichen es ihnen, die besonderen Fähigkeiten von Metallen beizubehalten, wie beispielsweise die starke Leitfähigkeit von Elektrizität.

Sie sind außerdem leicht anpassbar: „Man kann Ionen zwischen die Schichten legen, um sie beispielsweise zum Speichern von Energie zu nutzen“, sagte der Chemie-Doktorand Di Wang, Co-Erstautor der Arbeit zusammen mit dem Postdoktoranden Chenkun Zhou.

All diese Vorteile könnten MXenes äußerst nützlich für den Bau neuer Geräte machen – beispielsweise zur Speicherung von Elektrizität oder zur Blockierung elektromagnetischer Wellenstörungen.

However, the only way we knew to make MXenes involved several intensive chemical engineering steps, including heating the mixture at 3,000°F followed by a bath in hydrofluoric acidAny substance that when dissolved in water, gives a pH less than 7.0, or donates a hydrogen ion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Säure.

"This is fine if you’re making a few grams for experiments in the laboratory, but if you wanted to make large amounts to use in commercial products, it would become a major corrosive waste disposal issue," explained Dmitri Talapin, the Ernest DeWitt Burton Distinguished Service Professor of Chemistry at the University of ChicagoFounded in 1890, the University of Chicago (UChicago, U of C, or Chicago) is a private research university in Chicago, Illinois. Located on a 217-acre campus in Chicago's Hyde Park neighborhood, near Lake Michigan, the school holds top-ten positions in various national and international rankings. UChicago is also well known for its professional schools: Pritzker School of Medicine, Booth School of Business, Law School, School of Social Service Administration, Harris School of Public Policy Studies, Divinity School and the Graham School of Continuing Liberal and Professional Studies, and Pritzker School of Molecular Engineering." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">University of Chicago, gemeinsamer Beauftragter am Argonne National Laboratory und korrespondierender Autor des Artikels.

To design a more efficient and less toxic method, the team used the principles of chemistry—in particular "atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">„Atomökonomie“, die darauf abzielt, die Anzahl der verschwendeten Atome während einer Reaktion zu minimieren.

Das UChicago-Team entdeckte neue chemische Reaktionen, die es Wissenschaftlern ermöglichen, MXene aus einfachen und kostengünstigen Vorläufern ohne den Einsatz von Flusssäure herzustellen. Es besteht aus nur einem Schritt: Mischen mehrerer Chemikalien mit dem Metall, aus dem Sie Schichten herstellen möchten, und Erhitzen der Mischung auf 1.700 °F. „Dann öffnet man es und da sind sie“, sagte Wang.

Die einfachere, weniger toxische Methode eröffnet Wissenschaftlern neue Möglichkeiten zur Entwicklung und Erforschung neuer Varianten von MXenen für unterschiedliche Anwendungen – beispielsweise verschiedene Metalllegierungen oder verschiedene Ionenaromen. Das Team testete die Methode mit Titan- und Zirkoniummetallen, glaubt jedoch, dass die Technik auch für viele andere Kombinationen verwendet werden kann.

„Diese neuen MXenes sind auch optisch wunderschön“, fügte Wang hinzu. „Sie stehen wie Blumen auf – was sie vielleicht sogar für Reaktionen besser macht, weil die Kanten frei liegen und für Ionen und Moleküle zugänglich sind, um sich zwischen den Metallschichten zu bewegen.“

Referenz: „Direct Synthesis and Chemical Vapour Deposition of 2D Carbide and Nitride MXenes“ von Di Wang, Chenkun Zhou, Alexander S. Filatov, Woje Cho, Francisco Lagunas, Mingzhan Wang, Suriyanarayanan Vaikuntanathan, Chong Liu, Robert F. Klie und Dmitri V .Talapin, 23. März 2023, Science.DOI:10.1126/science.add9204

Der Doktorand Wooje Cho war ebenfalls Co-Autor des Artikels. Die Erkundung wurde durch die Hilfe von UChicago-Kollegen aus verschiedenen Abteilungen ermöglicht, darunter der theoretische Chemiker Suri Vaikuntanathan, der Direktor der Röntgenforschungsanlage Alexander Filatov und die Elektrochemiker Chong Liu und Mingzhan Wang von der Pritzker School of Molecular Engineering. Elektronenmikroskopie wurde von Robert Klie und Francisco Lagunas an der University of Illinois Chicago durchgeführt.

Ein Teil der Forschung wurde über das „Advanced Materials for Energy-Water Systems“ des US-Energieministeriums, ein Energy Frontier Research Center, durchgeführt. das Materials Research Science and Engineering Center der University of Chicago; und am Center for Nanoscale Materials am Argonne National Laboratory.