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À l'aide d'une nouvelle technique de spectrométrie de masse à ions secondaires, la recherche jette un nouveau regard sur les phases MXenes et MAX


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 framework chimiques complexes, ainsi que des propriétés physiques et électrochimiques propriétés, de ces matériaux exceptionnellement polyvalents. Furthermore d’une décennie additionally tard, des devices 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 write-up récemment publié dans Mother nature Nanotechnology. les phases MAX, en utilisant un system appelée spectrométrie de masse des 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 programs spécifiques telles que les antennes pour la conversation sans fil 5G et 6G et les boucliers contre les interférences électromagnétiques  aux filtres pour la creation, le stockage et la séparation de l’hydrogène  aux reins portables pour les individuals dialysés.

« Une meilleure compréhension de la framework détaillée et de la composition des matériaux bidimensionnels nous permettra de libérer leur plein potentiel », a déclaré Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University et professeur Bach au Collège, qui a dirigé la recherche de caractérisation MXene. “Nous avons maintenant une impression moreover 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 method couramment utilisée pour étudier les surfaces solides et les movies minces et la façon dont leur chimie alter avec la profondeur. Il fonctionne en projetant un faisceau de particules chargées sur un échantillon, qui bombarde les atomes à la floor 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 area d’un matériau (plusieurs angströms). Une équipe dirigée par Pawel Michalowski, PhD. a apporté un selected nombre d’améliorations à la system, 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 doable auparavant.

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 floor. Il nous permet de” supprimer “précisément une couche d’atomes à la fois sans perturber ceux qui se trouvent en dessous.”

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 construction du réseau.”

Étant donné que MAX et MXenes représentent une grande famille de matériaux, les chercheurs ont exploré in addition avant des systèmes moreover 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 composition finement réglée 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 dans les matériaux, nous pouvons ajuster la recette – pour ainsi dire – – pour produire des MXènes qui n’en ont pas, et par conséquent additionally 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 system SIMS s’est avérée efficace, Gogotsi prévoit de l’utiliser dans de futures recherches, y compris son récent work financé par le département américain de l’énergie de 3 thousands and thousands de pounds pour explorer les MXenes pour le stockage de l’hydrogène – une étape importante vers le développement d’un nouveau supply d’énergie resilient.

“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.”